一种用于大能量固体染料激光器的增益介质的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于大能量固体染料激光器的增益介质及其制作模具。增益介质分为两层，设有一内层和一外层，内层为掺杂有激光染料的固体染料基质，外层为没有掺杂的纯固体染料基质。增益介质由A异型杯的模具制作而成。A异型杯根据增益介质的形状相应地设有一外壁和一内壁，外壁由外圆筒壁和平壁一体化形成中心对称结构，外壁和内壁的底部用连接件连接在一体，内壁与外圆筒壁同轴、等高，且内壁和外壁之间设有间隙，以形成增益介质的外层，所述内壁、外壁和连接件采用聚四氟乙烯材料一体成型制作。针对大面积侧面泵浦方式，对增益介质进行这种特殊设计，可以得到更好的光束质量，并在一定程度上提高染料激光器的转换效率。
【专利说明】一种用于大能量固体染料激光器的增益介质
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种医用激光器增益介质，具体为一种长寿命的用于大能量固体 染料激光器的增益介质及其制作模具。
【背景技术】
[0002] 585nm波段处于血红蛋白的吸收峰，该波段脉冲激光选择性作用于血红蛋白，其已 成为治疗微静脉畸形、毛细血管扩张症等血管性疾病的首选方法。染料激光具有可调谐范 围宽的优点，使用不同的染料可以很容易覆盖从紫外到红外的波段，因此大能量的585nm 激光输出一般采用激光染料作为增益介质。早期的染料激光器均使用液态染料，其具有输 出的激光光束质量好，染料溶液便于冷却，从而可以大能量高重频运转等优点。但是液态染 料激光器也有很大的缺陷：液态染料对人体有毒且易燃；循环冷却系统很大，且设计复杂； 掺杂在溶液中的染料在激光作用下易退化降解，降低了寿命，且定期更换染料溶液、清洗循 环系统，使用和维护成本较高。
[0003] 将染料掺杂进固体基质中，较好的克服了液态染料的上述缺点，这样的固态染料 激光器具有全固化、小型化、无毒、成本和维护费用低等优点，具有很强的产业化潜力。然而 现有的固体染料激光器都是采用简单的端面泵浦结构，仍然存在一定的不足：1.在大能量 高重频运转方式下，染料分子长时间存在的瞬态吸收逐渐建立，从而逐渐降低激光器输出 效率，缩短固体染料寿命；2.简单泵浦方式固体染料受光面积不够大，对大泵浦能量，泵浦 光能量密度很高，影响固体激光染料的寿命；3.大能量泵浦下固体染料中的热累积，导致 激光器效率降低，光束质量下降，寿命缩短。
【发明内容】
[0004] 本实用新型的目的是设计一种长寿命高效率的医用脉冲式大能量固体染料激光 增益介质。
[0005] 为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：
[0006] -种用于大能量固体染料激光器的增益系统，包括激光发射源、光学系统和染料 激光增益系统，其中激光发射源包括发射台架，固定于发射台架底部的泵浦源，所述泵浦源 发出的532nm激光束经由光学系统均匀照射在染料激光增益系统上，所述染料激光增益系 统包括多头旋转盘，多头旋转盘上固定安装有至少一个旋转头，增益介质内嵌于所述旋转 头上，且可随多头旋转盘的旋转进行选择和固定。所述光学系统包括45°全反镜、扩束镜和 柱面镜，所述柱面镜由平凹柱面镜和平凸柱面镜组成，所述泵浦源发出的光束经由45°全 反镜反射进入扩束镜后，依次经过平凹柱面镜和平凸柱面镜，所述光学系统的输出光束均 匀照射在所述增益介质侧面。
[0007] 所述多头旋转盘可进行周向旋转并固定，来调节旋转头的固定位置，内嵌于旋 转头的增益介质分为两层，内层为掺杂有激光染料的固体染料基质，外层为没有掺杂的 纯固体染料基质，所述基质为溶胶凝胶玻璃，所述激光染料为Rhodamine 6G，PM597或者 perylene orange染料中的任意一种。
[0008] 所述染料激光增益系统还包括一 0°全反镜和一输出镜，所述0°全反镜和输出 镜组成谐振腔，在谐振腔内置所述增益介质，〇°全反镜和输出镜分别位于增益介质两侧， 由泵浦源输出的激光束依次经过光学系统的45°全反镜、扩束镜、柱面镜，进入所述谐振腔 内，打在增益介质上，利用增益介质的大面积的侧面对进入谐振腔内的光束进行增益和转 换，并由所述输出镜输出。
[0009] 所述染料激光增益系统还包括制冷装置，所述制冷装置位于所述多头旋转盘上的 旋转头的底部，且可随所述旋转头更换使用，所述增益介质的侧面与所述制冷装置通过接 合部件紧密连接。所述制冷装置采用TE制冷装置或磁制冷装置中的任意一种。所述接合 部件具有大的剪切弹性模数，具体地说，所述接合部件由导热硅胶等金属类接合材料或环 氧树脂等具有刚性的材料构成。
[0010] 所述用于大能量固体染料激光器的增益系统进行增益的方法如下：
[0011] 在发射台架底部固定好泵浦源，选择使用的旋转头，调整多头旋转盘的旋转头在 染料激光增益系统中的位置，使内嵌于其上的增益介质固定在谐振腔内；
[0012] 调节光学系统的位置，保证泵浦源发出的光束经由光学系统均匀照射在所述增益 介质侧面，由工作人员手动调节发射台架的固定位置，使光束经过45°全反镜反射后水平 入射，经谐振腔的输出镜垂直输出；
[0013] 启动制冷装置至规定温度，由温度检测探头采集并记录增益介质工作时温度的变 化，在大能量泵浦源下的固体染料中的热积累影响到输出光束的质量时，由报警器发出警 报，告知工作人员，由工作人员旋转多头旋转盘，选择备用旋转头，并调整内嵌于其上的增 益介质固定在谐振腔内继续工作。
[0014] 所述增益介质与制冷装置紧密连接的侧面镀有532nm波段反射率大于99%的介质 膜，另一侧面镀有532nm波段透射率大于99%的介质膜。
[0015] 所述的用于大能量固体染料激光器的增益介质的制作方法如下：
[0016] 第一步，制作外层，将形成溶胶了的无染料掺杂的基质放入A异型杯中，其中，A异 型杯为凹型结构；
[0017] 第二步，放入40° C恒温箱中缩聚形成凝胶，干燥1(Γ14天，形成素坯；
[0018] 第三步，将素坯取出，放入托盘内；
[0019] 第四步，制作内层，将另外制作的形成溶胶了的掺杂有激光染料的基质小心填充 素坯的凹槽内；
[0020] 第五步，再次放入恒温箱中缩聚形成凝胶，在40° (Γ80° C的环境下经干燥3(Γ60 天；
[0021] 第六步，取出，分割；
[0022] 第七步，机械加工、抛光。
[0023] 所述Α异型杯设有一外壁和一内壁，夕卜壁由外圆筒壁和平壁一体化形成中心对称 结构，外壁和内壁的底部用连接件连接在一体，内壁与外圆筒壁同轴、等高，且内壁和外壁 之间设有间隙，以形成增益介质的外层，所述内壁、外壁和连接件采用聚四氟乙烯材料一体 成型制作。
[0024] 所述平壁与内壁的距离大于1mm，所述A异型杯高15~25cm，可一次制作至少5枚 素述。
[0025] 本实用新型与现有的固体染料激光器相比，其有益效果在于：通过特殊设计的大 面积侧面泵浦方式、不掺杂的外层基质包裹，制冷装置对固体染料降温，以及多头旋转盘的 特殊设计，使得固体染料增益介质在大能量高重频泵浦下能够保持高寿命，并得到较为理 想的光束质量和转换效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1为本实用新型大能量固体染料激光器机构示意图。
[0027] 图2为实施例1中多头旋转盘的正视图。
[0028] 图3为实施例1中多头旋转盘的等轴侧视图。
[0029] 图4为A异型杯的正视图。
[0030] 图5为A异型杯的等轴侧视图。
[0031] 图6为实施例2中多头旋转盘的正视图。
[0032] 图7为实施例2中多头旋转盘的等轴侧视图。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明。
[0034] 实施例1 :
[0035] 如图1所示，本实施例包括发射台架11，固定于发射台架11底部的激光泵浦源 12,45°全反镜13,扩束镜14,平凹柱面镜15,平凸柱面镜16,增益介质17,制冷装置18， 输出镜19,全反镜20,旋转盘21。激光泵浦源12为波长532nm的脉冲激光器，光束直径约 2_。扩束镜14为532nm波段四倍扩束镜，光束经过它后光束直径变为8_。
[0036] 平凹柱面镜15为532nm波段镀膜的K9材质，其焦距为-19mm，宽19mm，长38mm， 中心厚度2mm，后焦距-20. 32mm。平凸柱面镜16为532nm波段镀膜的K9材质，其焦距为 75. 6mm，宽25. 4mm，长51mm，中心厚度5. 12mm，后焦距72. 22mm。平凹柱面镜15的凹面中心 与平凸柱面镜16平面距离约53mm，泵浦光束经过两个柱面镜后光斑轴向（即全反镜120与 输出镜19组成的谐振腔的光轴方向）尺寸约为40mm，横向尺寸约为10mm。
[0037] 增益介质17与全反镜20、输出镜19组成谐振腔，全反镜20镀有532nm波段反射 率大于99%的介质膜，输出镜19镀有585nm波段40%透过率的介质膜。
[0038] 由泵浦源12输出的激光束依次透过45°全反镜13、扩束镜14、平凹柱面镜15和 平凸柱面镜16,进入所述谐振腔内，打在增益介质17上，利用增益介质17的大面积的侧面 对进入谐振腔内的光束进行增益和转换，并由输出镜19输出。
[0039] 如图2、图3所示，旋转盘21上固定安装有3个旋转头，所述旋转头由增益介质17 和制冷装置18组成，可随多头旋转盘的旋转进行选择和固定，旋转头21直径260_。
[0040] 制冷装置18为TE制冷装置，用机械件固定于旋转盘上，其与增益介质17的侧面 使用导热硅胶紧密连接。
[0041] 增益介质17分为两层，内层为掺杂有PM597激光染料的溶胶凝胶玻璃，直径10mm ; 外层为没有掺杂的纯溶胶凝胶玻璃，直径18mm。其两个侧面宽度与内层溶胶凝胶玻璃直 径相同，为1〇_，其与内层外表面距离约为2. 5_。其与制冷装置18紧密连接的侧面镀有 532nm波段反射率大于99%的介质膜，这样使得泵浦光经过增益介质后剩余的未吸收部分 能够反射回去，再一次经过增益介质，提高了光光效率。另一个侧面镀有532nm波段透过率 大于99%的介质膜。增益介质17两个端面抛光，并镀有585nm波段反射率大于99%的介质 膜。
[0042] 用于大能量固体染料激光器的增益系统进行增益的方法如下：
[0043] 在发射台架11底部固定好泵浦源12,选择使用的旋转头，调整多头旋转盘21的旋 转头在染料激光增益系统中的位置，使嵌于其上的增益介质17固定在谐振腔内；
[0044] 调节光学系统的位置，保证泵浦源12发出的光束经由光学系统均匀照射在所述 增益介质17侧面，由工作人员手动调节发射台架11的固定位置，使光束经过45°全反镜 13反射后水平入射，经谐振腔的输出镜19垂直输出；
[0045] 启动制冷装置18至规定温度，由温度检测探头采集并记录增益介质17工作时温 度的变化，在大能量泵浦源下的固体染料中的热积累影响到输出光束的质量时，由报警器 发出警报，告知工作人员，由工作人员旋转多头旋转盘21，选择备用旋转头，并调整内嵌于 其上的增益介质17固定在谐振腔内继续工作。
[0046] 如图4、图5所示，A异型杯设有一外壁和一内壁33,外壁由外圆筒壁31和平壁32 一体化形成中心对称结构，外壁和内壁33的底部用连接件连接在一体，内壁33与外圆筒壁 31同轴、等高。内壁33和外壁之间设有间隙，以形成增益介质的外层，所述内壁33、外壁和 连接件采用聚四氟乙烯材料一体成型制作。
[0047] 内壁33的直径为10mm，即增益介质17内层的直径。平壁32内表面宽10mm，即增 益介质17侧面的宽度。平壁32与内壁33的距离约为2. 5mm，即增益介质17的侧面到其内 层外表面的距离。A异型杯长25mm，宽20mm，高210mm，可一次制作5枚素述。
[0048] 用于大能量固体染料激光器的增益介质17的制作方法如下：
[0049] 第一步，制作外层，将形成溶胶了的无染料掺杂的基质放入A异型杯中，其中，A异 型杯为凹型结构；
[0050] 第二步，放入40° C恒温箱中缩聚形成凝胶，干燥1(Γ14天，形成素坯；
[0051] 第三步，将素坯取出，放入托盘内；
[0052] 第四步，制作内层，将另外制作的形成溶胶了的掺杂有激光染料的基质小心填充 素坯的凹槽内；
[0053] 第五步，再次放入恒温箱中缩聚形成凝胶，在40° (Γ80° C的环境下经干燥3(Γ60 天；
[0054] 第六步，取出，分割；
[0055] 第七步，机械加工、抛光。
[0056] 实施例2 :
[0057] 如图6、图7所示，旋转盘21上固定安装有4个旋转头。其他与实施例1相同。
[0058] 本实用新型通过特殊设计的侧面大面积均匀泵浦，同样泵浦能量下，降低了单位 面积增益介质17上的能量密度，减缓染料分子瞬态吸收的建立，延长了固体染料的寿命， 间接地提高了激光器的输出效率。使用制冷装置18对固体染料增益介质进行温控，缓解大 能量泵浦下固体染料增益介质17中的热积累，延长固体染料寿命，提高激光器效率。针对 侧面泵浦方式，对增益介质17进行特殊设计，在内层外包裹一层没有染料掺杂的凝胶溶胶 玻璃，由于内外层折射率几乎一致，可以得到更好的光束质量，在一定程度上提高染料激光 器的转换效率。
【权利要求】
1. 一种用于大能量固体染料激光器的增益介质，其特征在于：增益介质分为两层，设 有一内层和一外层，内层为掺杂有激光染料的固体染料基质，夕卜层为没有掺杂的纯固体染 料基质，所述基质为溶胶凝胶玻璃，所述激光染料为Rhodamine 6G，PM597或者perylene orange染料中的任意一种。
2. 如权利要求1所述的一种用于大能量固体染料激光器的增益介质，其特征在于：所 述的增益介质还包括制冷装置。
3. 如权利要求2所述的一种用于大能量固体染料激光器的增益介质，其特征在于：所 述制冷装置采用TE制冷装置或磁制冷装置中的任意一种。
4. 如权利要求2所述的一种用于大能量固体染料激光器的增益介质，其特征在于：所 述的外层有两个平行于轴的侧面，均抛光，其中一个侧面与所述制冷装置通过结合部件紧 密连接，该侧面镀有532nm波段反射率大于99%的介质膜，另一侧面镀有532nm波段透射率 大于99%的介质膜。
5. -种如权利要求1所述的用于大能量固体染料激光器的增益介质的制作模具，其特 征在于：所述的增益介质由模具制作而成，所述模具为A异型杯，A异型杯根据增益介质的 形状相应地设有一外壁和一内壁，夕卜壁由外圆筒壁和平壁一体化形成中心对称结构，夕卜壁 和内壁的底部用连接件连接在一体，内壁与外圆筒壁同轴、等高，且内壁和外壁之间设有间 隙，以形成增益介质的外层，所述内壁、外壁和连接件采用聚四氟乙烯材料一体成型制作。
6. 如权利要求5所述的用于大能量固体染料激光器的增益介质的制作模具，其特征在 于：所述平壁与内壁的距离大于1_，所述A异型杯高15~25cm，可一次制作至少5枚素坯。
【文档编号】H01S3/042GK203911222SQ201420228283
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】杨杰, 顾华东, 陈瑞涛, 郑陈琪 申请人:中国科学院苏州生物医学工程技术研究所