一种应用于人体内的激光发生光导入装置的制作方法

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种应用于人体内的激光发生光导入装置。

背景技术：

目前，生物、材料等科学研究领域和医疗、检测等工业领域对多波长激光器尤其是波长可连续调谐的多波长激光器具有广泛需求。目前常见的激光器多为半导体和固体激光器，由于受到激光发射机制和激光材料性能的限制，其输出波长仅有有限几种，可调谐范围很窄，一般只有几个纳米，极大限制了其在上述领域的应用。例如在光动力疗法治疗肿瘤过程中，需要辅助以光敏剂产生单态氧来杀死癌细胞。不同光敏剂对激光的吸收峰值差异很大，需要不同波长甚至波长可以任意调谐的激光治疗仪才具有较好疗效。

产生波长可调谐激光的途径之一是采用频率变换技术，例如倍频、差频和光参量振荡等。目前以全固态激光器泵浦的光参量振荡器，采用BBO(偏硼酸钡晶体)、LBO(三硼酸锂晶体)、KTP或PPLN(周期性极化铌酸锂)等晶体作为非线性频率转换器件，通过机械方式调整晶体的角度、位置等条件，可以产生波长可调谐激光，波长可以根据需求实现任意输出，能够满足上述应用对波长和功率的需求。但是，由于非线性晶体必须通过机械调控的方式调整波长，造成装置内部含有步进电机、转动或位移平台等部件，结构复杂，体积大，调谐速度慢，稳定性和可靠性均不足。另外一种产生波长可调谐激光的方式是采用染料激光器，利用液体燃料发射光谱范围宽的优点产生可调谐激光，调谐范围可达上百纳米，功率可达上千瓦，但是体积巨大，染料对人体有害且需要定时更换，因此目前已很少采用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种应用于人体内的激光发生光导入装置，其可提供一种波长范围宽，波长可连续调谐，结构紧凑可靠的可调谐激光装置，克服现有技术中可调谐激光器结构复杂，波长调谐范围窄，可靠性不高的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种应用于人体内的激光发生光导入装置，包括可调谐激光装置，该可调谐激光装置包括能够调节温度的半导体制冷片，所述半导体制冷片上设有激光发射阵列，所述激光发射阵列包括能够发射不同波长的多个独立的激光器。

进一步地，发射相邻波段的两个激光器之间所发射波长的波长差不大于所述半导体制冷片最大的调节波长。

进一步地，多个所述激光器通过导线并联于同一个电源上，每个所述激光器上均设有能够独立控制其开合的开关。

进一步地，所述半导体制冷片设置于液冷金属片的上端面，所述液冷金属片的上端面设有冷却液通道，所述冷却液通道内设置有能够导出半导体制冷片中热量的液冷。

进一步地，所述液冷金属片上设有与所述冷却液通道一端连接的冷却液注入口和与所述冷却液通道另一端连接的冷却液回收口。

进一步地，所述半导体制冷片、多个所述的激光器和液冷金属片均封装于密封盒体中，所述密封盒体上设有多个用于输出所述激光器发射光的出光孔。

进一步地，多个所述半导体激光器所发射的光的波长呈等差数列，相邻波长的波长差的数值小于所述半导体制冷片最大调节波长的数值。

进一步地，所述密封盒体内每个所述激光器的出光方向上设有汇聚激光器所发射的光的透镜，与多个激光器所对应的多个透镜组成透镜阵列。

进一步地，每个出光孔上均连接有延伸至密封盒体1外的引出光纤，所述引出光纤与所述透镜之间设有耦合器，所述激光发射阵列中多个半导体激光器发出的光通过透镜阵列汇聚至微型或小型的耦合器处，耦合器再将光耦合至引出光纤上。

进一步地，所述耦合器与引出光纤对接。

进一步地，所述可调谐激光装置与能够将多束光耦合成一束光输出的合束器连接，则多个所述出光孔引出的多束引出光纤在所述合束器中耦合汇聚成一束光纤。

进一步地，所述激光器为半导体激光器。

进一步地，多个所述半导体激光器所发射的光的波长均在400nm～2000nm之间。

进一步地，相邻波长的波长差的数值为14。

进一步地，所述应用于人体内的激光发生光导入装置还包括能够将光导入人体内的光传导装置，该光传导装置与所述可调谐激光装置连接以使所述可调谐激光装置发出的激光通过所述光传导装置导入人体内。

本发明至少具有以下有益效果：

①本发明将多个发射不同波长或分立波长的激光器作为一个阵列作为激光光源产生多种波长，从而可通过切换工作激光器实现大范围波长调整；然后通过半导体制冷片的密温度控制实现波长精密调整，则本发明中的可调谐激光装置便可在任何波长范围内进行调谐，即能够输出波长连续可调谐激光。然后通过多路光纤合束器(或其他方式，例如空间耦合方式)合成为一根光纤输出。

②激光器之间的波长差不大于半导体制冷片最大调节波长，则使得本发明的可调谐激光装置能够调节为任意波长，使得使用不受任何限制。

③通过每个激光器并联于同一公用电源上实现分时复用或分时供电的工作方式，降低总功耗和对散热的苛刻要求。

④通过半导体制冷片与液冷连接，实现热量及时导出，半导体制冷和液冷两级制冷方式使可调谐激光装置能够大范围的精密温控从而进行调谐波长，液冷有助于半导体制冷片进行灵活的温度调节。

⑤半导体制冷片、激光器等采用密封箱体进行封装大大减少了环境的影响，使得调节更精确、且降低总能耗。

⑥激光发射阵列中的多个激光器所发射的激光通过多根光纤合束耦合输出，结构紧凑，可靠性高，使用方便，可满足生物、医疗等领域对可调谐激光器需求。而且该可调谐激光装置通过将激光发射阵列进行封装和然后光纤耦合输出，使可调谐激光器的体积减小，可靠性获得极大提升。

总之，本发明的可调谐激光装置通过分时复用和大范围精密控温实现波长的广谱连续可调谐特性，克服了单一半导体激光器输出波长调谐范围窄的缺点。

附图说明

图1是本发明实施例所述的激光发生传导装置的整体结构示意图(透视图)；

图2是本发明实施例所述的可调谐激光装置的外部封装结构示意图；

图3是本发明实施例所述的可调谐激光装置的内部封装结构示意图；

图4是本发明实施例所述的可调谐激光装置去除部分部件的结构示意图；

图5是本发明实施例所述的透镜阵列的结构示意图；

图6是本发明实施例所述的多个半导体激光器波长调谐曲线图；

图7是本发明实施例所述的可调谐激光装置与光纤导丝连接处的外部结构示意图；

图8是本发明实施例所述的可调谐激光装置与光纤导丝连接处的剖面结构示意图。

1、密封盒体，2、出光孔，3、导线，4、半导体激光器，5、半导体制冷片，6、液冷金属片，7、透镜阵列，8、透镜；9、耦合器，10、光纤导丝，21、引出光纤，30、光耦合器，40、可调谐激光装置，50、合束器，61、冷却液通道，62、注入口，63、回收口。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通方法人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1～5所示，一种应用于人体内的激光发生光导入装置，包括可调谐激光装置，该可调谐激光装置40包括能够调节温度的半导体制冷片5(TEC)和激光发射阵列，所述激光发射阵列包括能够发射不同波长的多个独立的半导体激光器4；所有半导体激光器4均通过金属焊接的方式焊接于所述半导体制冷片5的上表面。半导体制冷片5通过调节电压或电压正反控制可形成制冷和加热两种工作方式，实现-20℃至+40℃范围内的温度调整。而半导体激光器4可随着温度变化其波长随之改变，即随着温度升高波长相应地升高，温度系数一般为0.2nm/K～0.3nm/K，因此在-20℃至+40℃范围内，半导体激光器4有约15nm的温度调谐范围。

多个半导体激光器4所发射的波长均不同，则发射相邻波长/段的两个激光器之间所发射波长的波长差不大于所述半导体制冷片5最大的调节波长。即不同波长的半导体激光器的中心波长根据温度控制范围选择，满足温度大范围调整时相邻波长半导体激光器能够连续可调的要求，参见图3。则使得可调谐激光装置可发射任意波长的光。即切换选择不同的半导体激光器4可实现大范围波长的调整，再通过半导体制冷片5实现波长的小范围或精密范围内的调整。

所述半导体制冷片5的下表面上连接有液冷金属片6(即能够放置液冷的金属片)，所述液冷金属片的上端面设有折线型或S型的冷却液通道61，所述冷却液通道61内设置有能够导出半导体制冷片中热量的液冷(即冷却液)，参见图4。即该液冷或冷却液放置于半导体制冷片5与液冷金属片6之间，使得液冷或冷却液可将半导体制冷片5产生的热量导出，形成二次制冷方式，则通过半导体制冷和液冷两级制冷方式进行大范围的精密温控实现精密调谐。冷却液可为液氮等，当然可根据实际需要选择其他种类的冷却液。

所述液冷金属片6上设有与所述冷却液通道61一端连接的冷却液注入口62和与所述冷却液通道61另一端连接的冷却液回收口63。使用时，可将冷却液注入口与冷却液存储罐连接，冷却液回收口与冷却液回收罐连接，使可调谐激光装置内的液冷能够循环，制冷效果更好。注入口62和回收口63在密封盒体1上相应地也设有进口和出口。

多个所述半导体激光器4通过导线并联于同一个电源上，每个所述半导体激光器4上均设有能够独立控制其开合的开关，可通过多路开关选择所需要工作的激光器。则能够实现分时复用或分时供电，即需要某个波段的光就选择启动对应能够发出该波段光的半导体激光器4，而其他的半导体激光器4不用启动，降低总耗能和对散热的苛刻要求。

所述液冷金属片6、半导体制冷片5和设置于该半导体制冷片5上的多个半导体激光器4等均封装于密封盒体1中，即可通过隔热材料制成的密封盒体1隔绝环境热交换，进一步减小制冷及加热量，使控制更精确，也更节能。

所有半导体激光器4通过导线从密封盒体1中输出并连接于同一个公用电源上，同时，密封盒体1上还设有多个用于输出所述半导体激光器4发射光的出光孔2，每个出光孔2对应一个半导体激光器4的激光发射孔(即出光的孔)；参见图1～2，密封盒体1的一侧可输出导线3，另一侧可输出激光。

所述密封盒体1内，参见图1和5，每个所述半导体激光器4的出光方向上，即与光于同一轴线上设有可汇集光的透镜8，与多个半导体激光器4所对应的多个透镜8组成透镜阵列7，透镜阵列7可直接连接于半导体激光器4的激光发射孔处，也可位于半导体激光器4的出光方向上但与半导体激光器4不直接连接。但半导体激光器4的激光发射孔、透镜8以及密封盒体1上的出光孔2均在同一直线上。

每个出光孔2上均连接有延伸至密封盒体1外的引出光纤21。所述引出光纤21与所述透镜8之间设有耦合器9，参见图1，所述激光发射阵列中多个半导体激光器4发出的光通过透镜阵列7汇聚至多个或各个(微型或小型的)耦合器9处，耦合器9再将光耦合至相应地引出光纤21上。

所述可调谐激光装置40与能够将多束光耦合成一束光输出的合束器50固定连接，多个所述出光孔2引出的多束引出光纤21在所述合束器50中耦合汇聚成一束光纤。即半导体激光器4发出的光通过透镜8传至耦合器9中，耦合器9再将光传至引出光纤21上，引出光纤21将光引入合束器50中，即在合束器50中合成一束光进行输出。优选耦合器9设置于出光孔2上，然后所述耦合器9与引出光纤21直接对接，即引出光纤21的一端汇入合束器50中，另一端与耦合器9对接。

具体实施时，根据实际情况，所述半导体激光器4所发射的光的波长一般在400nm～2000nm之间便可满足目前使用要求。优选多个所述半导体激光器4并排均匀焊接于所述半导体制冷片5上形成激光发射阵列，多个所述半导体激光器4所发射的光的波长呈等差数列排列，相邻波长的波长差的数值小于所述半导体制冷片5最大调节波长的数值。如相邻波长的波长差的数值为14。

本实施例中的半导体激光器4可为单管半导体激光器或多管半导体激光器，体积可为几百微米量级，根据实际需要可做成需要的体积。

对于本发明中的可调谐激光装置，由于半导体激光器4的输出功率高，本身发热量大，因此温控主要为制冷方式；当需要升温时可停止液冷同时反转TEC电压以产生热量。总之，通过液冷和半导体制冷片便可实现精确控温。

具体使用时，需要的激光波长设定为λ，则只需打开可调谐激光装置光源，再选择与设定波长λ最相近的半导体激光器供电工作，然后通过精密温控将波长调整至所设定得波长λ，通过引出光纤导出设定波长激光。

实施例2

如图6所示，基于实施例1中的可调谐激光装置，例如对于实现波长为623nm-707nm波段的连续调谐激光输出，首先选用在温度为10℃输出波长分别为630nm、644nm、658nm、672nm、686nm、700nm的6个分立波长的半导体激光器4，即选取波长差为14nm的6个半导体激光器4，将这6个半导体激光器4按其发出波长从小到大的顺序命名为：Laser 1、Laser 2、Laser 3、Laser4、Laser 5和Laser 6。半导体激光器4随着温度变化其波长随之改变，温度与波长的关系为0.2nm/K～0.3nm/K，因此，当半导体制冷片5在-20℃～+40℃范围内可调温度时，半导体激光器4便具有约15nm的温度调谐范围。

通过6个半导体激光器4的大范围波长选择和分时复用，再通过半导体制冷片5进行精密温度控制，使得可调谐激光装置在-20℃～+40℃范围内波长可实现在623nm-707nm范围内的连续调谐，即各个半导体激光器4的调谐范围基本为：Laser 1：623nm～637nm，Laser 2：637nm～651nm，Laser 3：651nm～665nm，Laser4：665nm～679nm，Laser 5：679nm～693nm，Laser 6：693nm～707nm。

例如需要输出波长为670nm激光，按照图1所示，通过电源开口选择开启半导体激光器4Laser 4作为工作激光器，其在10℃时的输出波长为672nm，则将半导体制冷片5的温度调整为+3℃，Laser4的输出波长边为670nm。如需调整波长至660nm，通过每个半导体激光器4上的单独开关控制选择Laser 3作为工作激光器，其10℃的输出波长为658nm，则将温控调整为+20℃，则输出波长便为660nm。

具体使用时，根据实际需要选择半导体激光器4的数量，调整大范围波长便通过选择半导体激光器4来实现，然后根据波长和温度的对应关系，调整精确范围的波长便可通过调整温度来实现最终的输出波长。具体实施时，可将半导体制冷片5的温度变化换算成波长标示出来，方便使用者调节。

在光动力肿瘤治疗中，参见图1、图7～8，只需要将该可调谐激光装置40与传导光的光传导装置10进行连接便可，光传导装置10能够进入人体的病变部位，然后将可调谐激光装置40发出的光传导至病变部位。具体使用时，合束器50将可调谐激光装置40发出的多束光耦合成一束光输出，然后合束器50通过光耦合器30与所述光传导装置10连接，从而将耦合成的一束光通过光耦合器30传给光传导装置10。光传导装置10在临床影像引导下进入或插至病变部位。通过调节广谱阵列分时复用的可调谐激光装置40输出针对特定光敏剂的所需波长的激光，使光传导装置10将相应波长的激光照射在已注射光敏药物的肿瘤瘤体，使瘤体内的光敏药物发生光化学反应产生单态氧继而引发肿瘤瘤体的坏死及凋亡，从而达到治疗肿瘤的目的。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。