一种高能量时空耦合激光装置及应用方法与流程

本发明涉及医疗激光消融，具体涉及一种高能量时空耦合激光装置及应用方法。

背景技术：

1、在医疗激光消融领域中，使用激光器发射激光，并通过导管将激光传输至目标位置进行消融，消融效果往往取决于激光器的能量。因为从激光器到导管激光能量会有损耗，导致激光器需要输出更大的能量才能满足消融需求，但提高现有激光器输出能量容易导致脉冲宽度问题使导管出现损坏，因此使用常规的激光器难以满足能量和安全性要求。

2、为了提高激光器输出能量，现有技术一般使用一套激光谐振腔，通过增大谐振腔中激光晶体尺寸以增加激光器输出脉冲能量。但是，此种方法下激光晶体尺寸不可能无限增大，目前现有技术已经达到脉冲能量瓶颈。因此在激光晶体尺寸不是太大的情况下，只能产生小于等于90mj能量，激光器脉冲能量的提升具有一定限制。

3、为了适应不同的消融需求，需要实现脉冲宽度调节或展宽，现有技术一般在激光器外使用单级或多级分束合束的结构来实现。具体过程包括：先将脉冲空间分束，然后在不同光束间引入数米甚至十米的距离以产生脉冲的时间延迟，最后将产生延迟的脉冲合束，来获得脉冲宽度展宽后的激光脉冲。然而，该方法需要利用巨大的空间光路和数量众多的反射镜及透镜，复杂的结构不仅增加了激光器尺寸也不利于产品的工程化生产。

4、此外，在激光消融时，由于355nm波长的激光优点更多，故常使用355激光器进行激光发射。为了实现355激光器的脉冲展宽，目前市场上常规的355 nm高能高频激光器（脉冲宽度5~10ns，频率最大100hz@80mj）应用于医疗激光消融时，脉冲宽度过窄导致在高能量密度使用时脉冲峰值功率过高，使得导管可靠性难以保证。相关技术通过在激光器外增加空间延时进行脉冲展宽获得脉冲串以降低峰值功率保证导管可靠性，但是此种方法对脉冲间的延时量较为有限，延时结构空间长度随延时量按指数方式增加。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种高能量时空耦合激光装置及应用方法，能够产生高能量的激光，通过多个激光子单元的并联，可以实现激光输出能量任意配置的需求，能够满足激光消融的医学应用，以解决上述背景中提出的技术问题。

2、第一方面，本发明提供了一种高能量时空耦合激光装置，装置包括：

3、脉冲延时控制单元、激光产生单元和激光合成单元；

4、脉冲延时控制单元，用于产生多个时序电信号，并将多个时序电信号发送至激光产生单元，时序电信号用于控制激光产生单元工作；

5、激光产生单元，包含多个并联的激光子单元，激光子单元根据接收的时序电信号按时序产生对应的脉冲激光，激光产生单元产生多束脉冲激光后将所有脉冲激光输入到激光合成单元；

6、激光合成单元，用于将输入的多束脉冲激光在空间和时间上进行光束耦合后输出。

7、本发明通过高能量时空耦合激光装置，能够产生高能量的激光，通过多个激光子单元的并联，可以实现激光输出能量任意配置的需求。本发明能够解决高能紫外纳秒激光器脉冲能量提升受限问题，满足了激光消融的医学应用。

8、在一种可选的实施方式中，脉冲延时控制单元还包括：根据预设激光输出要求控制多个时序电信号之间的时间间隔以及每个时序电信号的频率和脉冲宽度，用以调整输出激光的延时和脉冲宽度。

9、本发明通过脉冲延时控制单元，能够精确控制每个激光谐振腔的脉冲输出时间，可以实现脉冲宽度展宽的任意配置需求。本发明能够解决脉冲宽度或间隔难以灵活调节的难题，满足了激光消融的医学应用。

10、在一种可选的实施方式中，激光子单元包含激光谐振腔及配套电路，激光谐振腔包括：全反镜m1、输出镜m2以及激光增益介质，用于在预设泵浦源激励下产生激光；配套电路用于调节激光并使其满足预设激光输出要求，配套电路的器件包括：调q光开关、倍频晶体以及和频晶体。

11、本发明基于包含激光谐振腔及配套电路的激光子单元，通过多个激光子单元的并联，并将多个激光子单元输出的脉冲进行合成后可以轻松得到150mj以上，甚至得到理论上不受限制的高能纳秒紫外激光，解决了目前355nm紫外纳秒激光器脉冲能量提升受限问题。此外，本发明多个激光谐振腔进行的多光束合束，可以将激光谐振腔中因量子损耗和倍频转换过程产生的热量分散到多个激光谐振腔中，有助于整个装置的散热；同时，本发明也有助于在高能量长时运行时，即高能量下产热更多的情况，激光产生的效率仍维持在较高水平，避免了由于长时使用热处理而导致能量缓慢衰减的问题。

12、在一种可选的实施方式中，根据脉冲延时控制单元控制调整后的多个时序电信号，调q光开关用于周期性控制激光谐振腔的损耗以产生满足预设激光输出要求的激光。

13、本发明的调q光开关能够周期性控制激光谐振腔的损耗以产生满足预设激光输出要求的激光，解决了脉冲宽度或间隔难以灵活调节的难题，满足了激光消融的医学应用。

14、在一种可选的实施方式中，激光子单元还包含滤波片，用于透射或反射脉冲激光。

15、本发明根据滤波片的透射或反射对产生的脉冲激光进行过滤，一定程度上提高了激光谐振腔的产生激光的质量。

16、在一种可选的实施方式中，光束耦合的方式包括：利用激光偏振光束耦合的方式或利用激光波长差异光束耦合的方式中之一。

17、本发明通过设计多种光束耦合的方式，能够针对不同类型的激光类型匹配对应的光束合成方式，有助于提高光束合成的效率，一定程度上提高了本发明高能量时空耦合激光装置的能量输出效率。

18、第二方面，本发明提供了一种高能量时空耦合激光装置的应用方法，应用于如第一方面的高能量时空耦合激光装置，应用方法包括：

19、脉冲延时控制单元产生多个时序电信号，并将多个时序电信号发送至激光产生单元，时序电信号用于控制激光产生单元工作；

20、激光产生单元根据接收的时序电信号按时序产生对应的脉冲激光，并将产生的多束脉冲激光输入到激光合成单元；

21、激光合成单元将输入的多束脉冲激光在空间和时间上进行光束耦合后输出。

22、本发明的高能量时空耦合激光装置的应用方法，通过多个激光谐振腔多光束的时空耦合，能够将两路或两路以上的355nm高能激光进行空间合束，解决了目前355nm紫外纳秒激光器脉冲能量提升受限的问题，可以轻松得到150mj以上的脉冲激光，甚至得到理论上不受限制的高能纳秒紫外激光，满足了激光消融的医学应用。

23、在一种可选的实施方式中，脉冲延时控制单元根据预设激光输出要求控制多个时序电信号之间的时间间隔以及每个时序电信号的频率和脉冲宽度，用以调整输出激光的延时和脉冲宽度。

24、本发明的高能量时空耦合激光装置的应用方法，通过脉冲延时控制单元精确控制每个激光谐振腔的脉冲输出时间，能够获得任意时间间隔的双脉冲或多脉冲，以实现脉冲宽度或脉冲间隔的调节目的，解决了高能紫外纳秒激光脉冲宽度调节的难题。

25、在一种可选的实施方式中，激光产生单元根据接收的时序电信号按时序产生对应的脉冲激光的过程，包括：激光增益介质在预设泵浦源的激励下产生1064nm的激光，传输至全反镜m1，产生全反射；激光增益介质将全反射的激光进行放大处理后，在时序电信号的控制下，经过调q光开关周期性的产生激光脉冲，以使激光产生延迟进入倍频晶体；部分1064nm激光生成二倍频532nm激光，其余1064nm激光和生成的532nm激光通过输出镜m2部分进入和频晶体，部分反射回倍频晶体和调q光开关，并将其用于下一个激光调节周期；进入和频晶体的1064nm激光和532nm激光被部分和频成355nm激光，并经过滤波片的透射或反射处理，处理包括1064nm激光和532nm激光被滤波片阻挡反射，355nm激光透射穿过滤波片，得到满足输出要求的355nm激光。

26、本发明的激光产生单元根据接收的时序电信号按时序产生对应的脉冲激光，能够实现各激光谐振腔间的脉冲延时调节，避免了现有技术中利用空间延迟来调节脉冲宽度时空间体积受限的巨大难题，有利于简化激光器结构，缩小了激光器体积，降低制作工艺成本。

27、在一种可选的实施方式中，激光合成单元输出的激光能量为n×a×b% mj，其中，n为激光子单元的并联个数，a为每个激光子单元输出的激光能量，b%为激光合成单元的合成效率；激光合成单元输出的激光脉冲宽度为(m-1)×t+tns，其中，t为各时序电信号的时间间隔，m为脉冲数量，t为每个脉冲宽度。

28、本发明根据激光合成单元输出的激光的能量和脉冲宽度的公式，为激光合成单元的输出提供了具体的数值依据，可以实现高能量的激光和脉冲宽度展宽的任意配置需求，满足了激光消融的医学应用。