专利名称：一种激光治疗机的制作方法
技术领域：
本发明属激光治疗设备，特别涉及一种新型抗癌光敏剂汰而清光动力学治疗用的新型670nm波段激光光动力学治疗机(下称670nm波段激光光动力学治疗机)，它是用普通医用光纤传输的，具有足够高的激光输出功率或能量的，可灵活、方便地用于体表和体内通过新型抗癌光敏剂汰而清对癌症实施激光光动力学治疗的激光治疗设备。
新型抗癌光敏剂汰而清疗效高、毒副作用小、吸收波长670nm，比常用的抗癌光敏剂血卟啉的吸收波长630nm长，670nm辐射在人体组织的穿透性更好，因而将成为癌症治疗的一种有效的新药。为了使这种新药进入实际临床应用，必须发展与之匹配的激光光动力学治疗机。
三价钕离子Nd3+在YAP或YVO4激光晶体中4F3/2-4I13/2跃迁处在1341.4nm和1342nm，这两波长的激光通过倍频获得的670.7nm和671nm激光与抗癌新药汰而清的吸收波长670nm几乎重合。为了获得足够功率或能量的670nm波段的激光，必须选择高效的1340nm波段的激光晶体和与之相配搭的非线性光学晶体。
过去，我们测量了Nd3+离子在YAP晶体中4F3/2-4I13/2跃迁的截面σ(H.Y.Shen et al，“Measurement of the Stimulated Emission Cross for4F3/2-4I13/2Transition of Nd3+in YAlO3Crystal”，IEEEJ.Quantum Electron.，Vol.25，No.2，144(1989).)，发现它是NdYAG、NdYLF和NdBEL等晶体同一跃迁的跃迁截面的2.4倍以上(H.Y.Shen et al，“Comparision of simultaneous multiplewavelength lasing in various neodymium host crystal at transitions from4F3/2-4I11/2and4F3/2-4I13/2”，Appl.Phys.Lett.，Vol.56，No.20，1937(1990).)，它与荧光寿命τ的乘积στ在这些晶体中也是最大的(见表1)，由于στ与激光阈值成反比而与激光输出成正比，因而我们利用NdYAP晶体研制成输出功率高达195W的1341.4nm高功率连续激光器(H.Y.Shen、Y.P.Zhou et al“Laser Actionof NdYAlO3at 1300nm”，J.Appl.Phys.，70(6)3373(1991).)和输出能量高达5.1J的1341.4nm大能量脉冲激光器(H.Y.Shen，Y.P.Zhou et.al.，”Large energy1341.4nm NdYAP pulse laser”，Opt.And Laser Technology，Vol.23，No.6366(1991).)，并发明了1341.4nm和1079.5nm激光医疗机，已经申请了中国和美国专利，并已获得了美国专利，其专利号为US5910140。
表1.一些掺钕激光晶体的基本参数
另外，从表1看到，NdYVO4晶体在4F3/2-4I13/2跃迁的截面比上述晶体更大，στ也是最大的，因而，它也是研制低阈值、高效率1340nm波段激光器较合适的激光晶体。我们已于1999年3月18日申请了“掺钕钒酸钇(NdYVO4)激光医疗机”中国专利，其专利申请号99102626.8。
KTP晶体具有较大的非线性系数，较大的容承温度和容承角，是中小功率激光倍频的常用晶体。LBO晶体非线性系数略小，但对1341.4nm和1342nm激光，其相位匹配方向接近非临界相位匹配条件(见表2)，因而可以利用较长的晶体来提高倍频的转换效率；另一方面，这种晶体的破环阈值高，在利用高功率密度激光提高倍频转换效率的技术中独具优势。所以上述两种非线性光学晶体是获得足够功率或能量的670nm波段激光的有效倍频晶体。
表2. 1341.4nm和1342nm激光在KTP和LBO晶体中的最佳相位匹配角
我们已利用3×3×12mm的LBO晶体，通过I类相位匹配条件，在灯泵NdYAP激光器中将1341.4nm激光倍频获得了1.2W的670.7nm激光。因此，本发明是可行的。
另外，也可用发射波长为670nm的AlGaInP激光二极管通过热电致冷器控制其PN结的温度，使AlGaInP激光二极管发射稳定的670nm波长辐射，用于抗癌新药汰而清激光光动力学治疗癌症。
本发明的目的是利用LBO或KTP等倍频晶体将1341.4nm NdYAP或1342nm NdYVO4激光倍频为670.7nm或671nm激光和AlGaInP激光二极管发射的670nm激光，研制用于新型抗癌光敏剂汰而清光动力学治疗癌症的新型激光治疗机。近期可用氪灯或氙灯泵浦，待作为泵浦的808nm激光二极管价格下降后，可用激光二极管作为泵浦。另外也可将多个670nmAlGaInP激光二极管列阵发射的激光通过光学技术注入光纤，将其输出提高到治疗所需的功率。
以下以LBO晶体将1341.4nm NdYAP激光倍频成670.7nm激光的激光治疗机为例，提供实现本发明的具体方案.其它方案可分别用NdYVO4代替NdYAP，或用KTP代替LBO实施。
670.7nm激光治疗机，由NdYAP晶体和用于泵浦所述晶体以及使所述晶体形成激活离子(Nd3+离子)粒子数反转分布的泵浦系统，以及相应的光学谐振腔和插在谐振腔适当位置的LBO晶体、医用光纤和光纤笔组成。在泵浦激励下，聚集在Nd3+离子4F3/2亚稳能级R2组态的粒子跃迁到4I13/2能级的X3组态产生1341.4nm辐射，在相应的谐振腔中形成1341.4nm辐射的振荡，该谐振腔可采用
图1的直腔或图2的三镜腔或图3的四镜腔。在谐振腔光束腰位置处，对1341.4nm辐射角度相位匹配的LBO晶体将通过它的1341.4nm辐射高效地转换成670.7nm激光。
在必要时，可在接近全反镜处插入1341.4nm声光调制器，使1341.4nm激光在腔内形成高峰值功率的调Q激光序列，以期提高倍频转换效率，获得高平均功率的670nm波段激光。
将谐振腔输出的670.7nm激光通过注入透镜，或将谐振腔输出镜与会聚透镜合二为一的能将输出激光会聚到所述医用光纤一端的谐振腔输出镜会聚到传输医用光纤一端，通过与所述医用光纤另一端相连的将670.7nm激光照射到所需治疗病灶部位的光纤笔将激光照射到病灶，对病灶进行治疗。
上述治疗用激光的泵浦源包括能连续改变输入功率或能量的连续驱动源或脉冲宽度适当的重复率脉冲驱动源和作为泵浦灯的氪灯或氙灯。
上述激光装置用自循环冷却系统冷却。
下面对附图作图面说明图1是本发明灯泵浦670nm波段激光治疗机直腔实例的构成图。
图2是本发明灯泵浦670nm波段激光治疗机三镜腔实例的构成图。
图3是本发明灯泵浦670nm波段激光治疗机四镜腔实例的构成图。
图4是本发明激光二极管端面泵浦670nm波段激光治疗机直腔实例的构成图。
图5是本发明激光二极管端面泵浦670nm波段激光治疗机三镜腔实例的构成图。
图6是本发明激光二极管端面泵浦670nm波段激光治疗机四镜腔实例的构成图。
图7是本发明670nm LD激光治疗机实例的构成图。
以下结合附图对本发明作进一步说明图1中1为激光工作物质，即NdYAP或NdYVO4晶体；2为泵浦用氪灯或氙灯；3为对1341.4nm或1342nm全反射对其二谐波高透射的双色介质镜与聚焦透镜合二而一的输出耦合镜，作为670nm波段的输出镜；4为对1341.4nm或1342nm及其二谐波全反射的平面介质镜；5为防止工作物质产生色心的滤紫外玻璃管；6为聚光筒；7为带有温度控制的倍频晶体LBO或KTP等；8为水冷系统；9为泵浦用驱动电源；10为导光用光导纤维；11为光纤笔；12为腔内聚焦透镜；13为声光调制器，该声光调制器根据需要插入腔内，图中用虚框表示。
开启电源9后，冷却系统8将激光运转过程产生的热量带走，使工作物质1在正常的温度下运转。1341.4nm或1342nm激光在谐振腔3、4内振荡，通过内腔的透镜12和双色介质镜3将基波激光聚焦在倍频晶体7上，实现高效的谐波发生。产生的670nm波段激光通过双色介质镜与聚焦透镜合二而一的输出镜3，注入导光用光纤10，经光纤笔11，对病灶进行治疗。必要时通过声光开关13将基波声光调Q，实现高峰值功率、高重复率运转，以期进一步提高倍频的转换效率。
图2中1为激光工作物质，即NdYAP或NdYVO4晶体；2为泵浦用氪灯或氙灯；3为对1341.4nm或1342nm全反射对其二谐波高透射的双色介质镜与聚焦透镜合二而一的输出耦合镜，作为670nm波段的输出镜；4为对1341.4nm或1342nm及其二谐波全反射的平面介质镜；5为防止工作物质产生色心的滤紫外玻璃管；6为聚光筒；7为带有温度控制的倍频晶体LBO或KTP等；8为水冷系统；9为泵浦用驱动电源；10为导光用光导纤维；11为光纤笔；13为声光调制器，该声光调制器根据需要插入腔内，图中用虚框表示；14为对1341.4nm或1342nm及其二谐波全反射的凹面介质镜，通过与双色介质镜3将基波激光聚焦在倍频晶体中，以期提高倍频的转换效率。
开启电源9后，冷却系统8将激光运转过程产生的热量带走，使工作物质1在正常的温度下运转。1341.4nm或1342nm激光在谐振腔4、14内振荡，通过双色介质镜3和对基波和谐波全反的凹面介质镜14将基波激光聚焦在倍频晶体7上，实现高效的谐波发生。产生的670nm波段激光通过双色介质镜与聚焦透镜合二而一的输出镜3，注入导光用光纤10，经光纤笔11，对病灶进行治疗。必要时通过声光开关13将基波声光调Q，实现高峰值功率、高重复率运转，以期进一步提高倍频的转换效率。
图3中1为激光工作物质，即NdYAP或NdYVO4晶体；2为泵浦用氪灯或氙灯；3为对1341.4nm或1342nm全反射对其二谐波高透射的双色介质镜与聚焦透镜合二而一的输出耦合镜，作为670nm波段的输出镜；4为对1341.4nm或1342nm及其二谐波全反射的平面介质镜；5为防止工作物质产生色心的滤紫外玻璃管；6为聚光筒；7为带有温度控制的倍频晶体LBO或KTP等；8为水冷系统；9为泵浦用驱动电源；10为导光用光导纤维；11为光纤笔；13为声光调制器，该声光调制器根据需要插入腔内，图中用虚框表示；14为对1341.4nm或1342nm及其二谐波全反射的凹面介质镜，通过与双色介质镜3将基波激光聚焦在倍频晶体7中，以期提高倍频的转换效率；15为对1341.4nm或1342nm全反射的凹面介质镜。
开启电源9后，冷却系统8将激光运转过程产生的热量带走，使工作物质1在正常的温度下运转。1341.4nm或1342nm激光在谐振腔4、14内振荡，通过双色介质镜3和对基波和谐波全反的凹面介质镜14将基波激光聚焦在倍频晶体7上，实现高效的谐波发生。产生的670nm波段激光通过双色介质镜与聚焦透镜合二而一的输出镜3，注入导光用光纤10，经光纤笔11，对病灶进行治疗。必要时通过声光开关13将基波声光调Q，实现高峰值功率、高重复率运转，以期进一步提高倍频的转换效率。
图4中1为激光工作物质，即NdYAP或NdYVO4晶体；16为泵浦用803nm或809nm LD，分别作为NdYAP或NdYVO4晶体的泵浦源；3为对1341.4nm或1342nm全反射对其二谐波高透射的双色介质镜与聚焦透镜合二而一的输出耦合镜，作为670nm波段的输出镜；17为镀在激光晶体端面上的介质膜，该介质膜对803或809nm泵浦光增透，对1341.4nm或1342nm及其二谐波全反射；7为带有温度控制的倍频晶体LBO或KTP等；18为控制工作物质温度的热电致冷系统；9为泵浦用激光二极管的驱动电源；10为导光用光导纤维；11为光纤笔；12为腔内聚焦透镜；19为LD激光整形和聚焦系统。
开启电源9后，LD激光整形和聚焦系统19将LD16发出的泵浦激光整形并穿过介质膜17聚焦到工作物质内，冷却系统18将激光运转过程产生的热量带走，使工作物质1在正常的温度下运转。1341.4nm或1342nm激光在谐振腔3、17内振荡，通过内腔的透镜12和双色介质镜3将基波激光聚焦在倍频晶体7上，实现高效的谐波发生。产生的670nm波段激光通过双色介质镜与聚焦透镜合二而一的输出镜3，注入导光用光纤10，经光纤笔11，对病灶进行治疗。
图5中1为激光工作物质，即NdYAP或NdYVO4晶体；16为泵浦用803nm或809nm LD，分别作为NdYAP或NdYVO4晶体的泵浦源；3为对1341.4nm或1342nm全反射对其二谐波高透射的双色介质镜与聚焦透镜合二而一的输出耦合镜，作为670nm波段的输出镜；17为镀在激光晶体端面上的介质膜，该介质膜对803nm或809nm泵浦光增透，对1341.4nm或1342nm及其二谐波全反射；7为带有温度控制的倍频晶体LBO或KTP等；18为控制工作物质温度的热电致冷系统；9为泵浦用激光二极管的驱动电源；10为导光用光导纤维；11为光纤笔；14为对1341.4nm或1342nm及其二谐波全反射的凹面介质镜，通过与双色介质镜3将基波激光聚焦在倍频晶体7中，以期提高倍频的转换效率；19为LD激光整形和聚焦系统。
开启电源9后，LD激光整形和聚焦系统19将LD16发出的泵浦激光整形并穿过介质膜17聚焦到工作物质1内，冷却系统18将激光运转过程产生的热量带走，使工作物质1在正常的温度下运转。1341.4nm或1342nm激光在谐振腔14、17内振荡，通过双色介质镜3和对基波和谐波全反的凹面介质镜14将基波激光聚焦在倍频晶体7上，实现高效的谐波发生。产生的670nm波段激光通过双色介质镜与聚焦透镜合二而一的输出镜3，注入导光用光纤10，经光纤笔11，对病灶进行治疗。
图6中1为激光工作物质，即NdYAP或NdYVO4晶体；16为泵浦用803nm或809nm LD，分别作为NdYAP或NdYVO4晶体的泵浦源；3为对1341.4nm或1342nm全反射对其二谐波高透射的双色介质镜与聚焦透镜合二而一的输出耦合镜，作为670nm波段的输出镜；17为镀在激光晶体端面上的介质膜，该介质膜对803或809nm泵浦光增透，对1341.4nm或1342nm及其二谐波全反射；7为带有温度控制的倍频晶体LBO或KTP等；18为控制工作物质温度的热电致冷系统；9为泵浦用激光二极管的驱动电源；10为导光用光导纤维；11为光纤笔；14为对1341.4nm或1342nm及其二谐波全反射的凹面介质镜，它与镀在激光晶体端面上的介质膜17形成基波的谐振腔，另外，通过它与双色介质镜3将基波激光聚焦在倍频晶体7中，以期提高倍频的转换效率；20为对1341.4nm或1342nm全反射的凹面介质镜；19为LD激光整形和聚焦系统。
开启电源9后，LD激光整形和聚焦系统19将LD16发出的泵浦激光整形并穿过介质膜17聚焦到工作物质内，冷却系统18将激光运转过程产生的热量带走，使工作物质1在正常的温度下运转。1341.4nm或1342nm激光在谐振腔14、17内振荡，通过双色介质镜3和对基波和谐波全反的凹面介质镜14将基波激光聚焦在倍频晶体7上，实现高效的谐波发生。产生的670nm波段激光通过双色介质镜与聚焦透镜合二而一的输出镜3，注入导光用光纤10，经光纤笔11，对病灶进行治疗。
图7中21为发射波长为670nm的AlGaInP激光二极管，包括用于激光波长控制的热电致冷系统；22为激光二极管和热电致冷系统的驱动电源；23为LD激光的耦合系统；10为导光用光导纤维；11为光纤笔；其中10和11根据需要选用。
开启电源22后，AlGaInP激光二极管的温度被控制在发射670nm波长激光的范围内，发射的激光经LD激光耦合系统23直接对病灶进行治疗，或通过光导纤维10和光纤笔11对病灶进行治疗。
如上所述，可以在图1到图6中，分别用NdYVO4代替NdYAP，或用KTP代替LBO，实施其它方案。
实施本发明的典型方案
1.以图1的灯泵浦670.7nm直腔激光治疗机为例(三镜腔和四镜腔分别见图2、3或图5、6，采用其它激光晶体或倍频晶体时，分别用NdYVO4代替NdYAP，或用KTP代替LBO)，接通电源9后，自循环冷却系统8即将水箱中的去离子水泵入含有激光工作物质NdYAP1和泵浦用氪灯2的密封聚光筒6中，通过锁匙式开关启动电源中的时序控制电路，自动完成泵浦灯的预燃，将氪灯的工作电流增加到激光输出额定功率所需的值，1341.4nm辐射在谐振腔中振荡，并聚焦在LBO晶体7上，实现高效的倍频转换。通过与聚焦透镜合二而一的输出镜3将670.7nm激光注入芯径为200-600微米的医用光纤中，由对准病灶的光纤笔对病灶进行光动力学治疗。
2.以激光二极管代替灯泵浦时，以图4激光二极管端面泵浦670nm波段激光光动力学治疗机直腔实例为例，开启电源9后，LD激光整形和聚焦系统19将LD16发出的波长为803nm或809nm的泵浦激光整形并穿过介质膜17聚焦到工作物质1内，冷却系统18将激光运转过程产生的热量带走，使工作物质1在正常的温度下运转。1341.4nm或1342nm激光在谐振腔3、17内振荡，通过内腔的透镜12和双色介质镜3将基波激光聚焦在倍频晶体7上，实现高效的谐波发生。产生的670nm波段激光通过双色介质镜与聚焦透镜合二而一的输出镜3，注入导光用光纤10，经光纤笔11，对病灶进行光动力学治疗。
3.图7是670nm LD激光治疗机的典型实施方案开启电源22后，AlGaInP激光二极管21的温度被控制在发射670nm波长激光的范围内，发射的激光经LD激光耦合系统23直接对病灶进行光动力学治疗，或通过光导纤维10和光纤笔11对病灶进行光动力学治疗。
权利要求
1.一种激光治疗机，包括NdYAP或NdYVO4激光晶体；用于泵浦所述激光晶体以使所述激光晶体形成激活离子(Nd3+离子)粒子数反转的泵浦系统；以及激活离子形成的特定的1341.4nm或1342nm辐射在其中谐振的激光谐振腔；以及放在该谐振腔内或腔外的LiB3O5(LBO)或KTP等倍频晶体，以便1341.4nm或1342nm激光在上述倍频晶体中通过相位匹配实现高效倍频获得670.7nm或671nm辐射的技术，其特征在于三价钕离子Nd3+在YAP或YVO4激光晶体中4F3/2-4I13/2跃迁处在1341.4nm或1342nm，这两波长的激光通过倍频获得的670.7nm或671nm激光与抗癌新药汰而清的吸收波长670nm几乎重合，成为新型抗癌光敏剂汰而清光动力学癌症治疗的有效激光治疗机。
2.如权利要求1所述的激光治疗机，其特征在于该治疗机还包括传输670.7nm或671nm激光的医用光纤(10)；将谐振腔输出的相应波长激光会聚到所述医用光纤一端的注入透镜，或将谐振腔输出镜与会聚透镜合二为一的能将输出激光会聚到所述医用光纤一端的谐振腔输出镜(3)；与所述医用光纤另一端相连的将所述相应波长激光照射到所需治疗病灶部位的光纤笔(11)。
3.如权利要求1所述的激光治疗机，其特征在于所述泵浦系统的泵浦源包括能连续改变输入功率或能量的连续、脉冲或重复率脉冲驱动源(9)和作为泵浦灯的氪灯或氙灯(2)。
4.如权利要求1所述的激光治疗机，其特征在于所述泵浦系统的泵浦源也可以是激光二极管(16)及其驱动源(9)。
5.如权利要求1所述的激光治疗机，其特征在于在必要时可通过相应波长的、放在谐振腔内的声光调制器(13)将该波长激光调Q，形成高峰值功率、高重复率的调Q脉冲激光。
6.如权利要求1所述的激光治疗机，其特征在于该治疗机还包括所述激光装置的冷却系统(8)。
7.一种激光治疗机，包括发射670nm激光的AlGaInP激光二极管、致冷系统、驱动源和耦合系统，其特征在于该半导体激光二极管的发射波长与新型抗癌光敏剂汰而清的吸收波长670nm重叠，从而成为新型抗癌光敏剂汰而清光动力学癌症治疗的另一种有效的激光治疗机。
8.如权利要求7所述的激光治疗机，其特征在于包括具有热电致冷器控温使激光稳定发射670nm辐射的激光二极管(21)及其驱动源(22)。
9.如权利要求7所述的激光治疗机，其特征在于根据需要，该治疗机还可以包括传输670nm激光的医用光纤(10)；将激光二极管发射的670nm激光会聚到所述医用光纤一端的注入系统(23)；与所述医用光纤另一端相连的将所述相应波长激光照射到所需治疗病灶部位的光纤笔(11)。
全文摘要
一种670.7nm或671nm的激光治疗机和670nmLD激光治疗机,前两者由激光基质晶体Nd:YAP或Nd:YVO
文档编号A61N5/067GK1335117SQ0010849
公开日2002年2月13日 申请日期2000年7月21日 优先权日2000年7月21日
发明者沈鸿元, 张戈, 曾瑞荣, 黄呈辉, 林文雄, 黄文 , 黄见洪 申请人:中国科学院福建物质结构研究所