專利名稱：用于光動力療法的全固態(tài)紫、紅雙色激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于光動力療法的全固態(tài)紫、紅雙色激光器，尤其涉及一種以雙結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰晶體為變頻晶體的全固態(tài)紫、紅雙色激光器。
背景技術(shù)：
光動力療法〔Photodynamic therapy；PDT)是20世紀(jì)80年代初問世的一種不通過外科手術(shù)而是利用激光識別和殺滅癌細(xì)胞、輕柔無痛的治療新技術(shù)。PDT的基本原理是施行療法時先將特定的光敏物質(zhì)注入體內(nèi)，光敏物會選擇性的滯留于腫瘤組織內(nèi)，然后以藍(lán)(或紫)光照射，腫瘤內(nèi)的光敏物質(zhì)會產(chǎn)生熒光，可以協(xié)助腫瘤的診斷及尋找腫瘤的位置及范圍。再以紅光照射，光敏物吸收光能，藉由光化學(xué)反應(yīng)將光能轉(zhuǎn)移給組織內(nèi)的其他物質(zhì)，產(chǎn)生細(xì)胞有毒性的自由基(free radicals)，或與組織細(xì)胞內(nèi)的氧分子作用，形成對細(xì)胞有毒性的單一態(tài)氧(singlet Oxygen)，藉此達(dá)到選擇性使癌細(xì)胞組織凋亡，達(dá)到治療目的。光動力療法雖然起步不久，但其作用機(jī)理上具高度選擇性，能破壞腫瘤組織，而不傷害正常組織，因此它是一種極有潛在價值的局部治療法。2000年，美國食品與藥物管理局(FDA)與歐盟已核準(zhǔn)光動力療法運用于癌癥治療。此外，它也已經(jīng)成功地用于動脈粥樣硬化、眼底老年性黃斑變性、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、皮膚良性病變?nèi)珲r紅斑痣等許多其他非腫瘤性的疾病治療與診斷，療效令人鼓舞。而本發(fā)明中設(shè)計的全固態(tài)紫、紅雙色激光器非常適宜于上述的光動力療法，既可做診斷，又可做治療，一機(jī)兩用，具有重要的應(yīng)用前景。相關(guān)的工作包括1992年7月，沈鴻元等人在J.Appl.Phys發(fā)表了″Nd∶YAlO3雙波長激光器用LiIO3晶體倍頻、和頻產(chǎn)生413.7nm紫光相干輻射(Second-harmonicgeneration and sum-frequency mixing of double-wavelength Nd∶YAlO3laser to413.7nm violet coherent radiation in LiIO3crystal)″的文章，利用兩塊LiIO3晶體對固體Nd∶YAlO3雙波長激光頻率變換獲得413.7nm紫色激光，能量較小，只有500μJ。
2002年3月，Y.F.Chen等人在Opt.Lett發(fā)表了″激光二極管泵浦的調(diào)Q Nd∶YVO4腔內(nèi)倍頻黃光激光器(Diode-pumped Q-switched Nd∶YVO4Yellow laser with intracavity sum-frequency mixing)″的文章，報導(dǎo)了用BBO做和頻晶體獲得黃光輸出，當(dāng)泵浦功率12.5W時，獲得平均功率340mW黃光輸出，峰值功率2kW。
2003年12月3日，中國專利公開了CN1459896A號″“紅綠雙波長激光器”專利申請，用LBO和KTP等非線性晶體將摻釹晶體1300nm和1000nm波段雙波長激光倍頻成紅色和綠色激光。
2003年12月31日，中國專利公開了CN1464602A號“可見波段雙波長固體激光器”專利申請，此專利涉及固體激光器設(shè)計領(lǐng)域。采用腔內(nèi)放置兩塊非線性晶體同時進(jìn)行倍頻與和頻的方案，利用紅外激光泵浦，同時輸出可見波段的雙波長激光。
2002年10月，Y.F.Chen等人在Opt.Lett發(fā)表了″激光二極管泵浦Nd∶YVO4雙波長激光器用PPLN單通和頻獲得高效的連續(xù)黃光產(chǎn)生(Efficient generation of cw yellow light by single-pass sum-frequency mixingof a diode pumped Nd∶YVO4dual-wavelength laser with periodically poledlithium niobate)″的文章，報導(dǎo)了用PPLN做和頻晶體獲得連續(xù)黃光輸出，在基波功率1.064nm為1.2W、1.342nm為1.0W時，獲得78mw的593nm連續(xù)黃光輸出。
綜上所述，這些研究與技術(shù)途徑均不涉及應(yīng)用于光動力療法，到目前為止，尚未發(fā)現(xiàn)有專門用于光動力療法的紫、紅雙色激光器的報導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用摻Nd離子晶體激發(fā)雙波長激光共振，特別是激發(fā)Nd∶YVO4晶體的1.064μm和1.342μm的雙波長激光同時振蕩，獲得紫、紅雙色激光輸出的用于光動力療法的全固態(tài)紫、紅雙色激光器。
本發(fā)明的目的可通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn)該用于光動力療法的紫、紅雙色全固態(tài)激光器，包括由一半導(dǎo)體激光器為泵浦光源，摻Nd離子晶體前后表面鍍有1.064μm和1.342μm減反膜，輸入鏡與1.342μm激光的平面輸出腔鏡、1.064μm激光的平面輸出腔鏡分別組成1.342μm、1.064μm雙波長振蕩的雙波長激光諧振腔，1.064μm激光和1.342μm激光以直腔方式同時振蕩并共線輸出，聲光開關(guān)置于腔內(nèi)，再以一塊能同時實現(xiàn)1.342μm激光倍頻和1.342μm與0.671μm激光和頻的雙周期結(jié)構(gòu)的PPLN晶體置于泵浦光路的控溫爐中，放置于腔外。
半導(dǎo)體激光(LD)泵浦摻Nd離子晶體，從4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2能級躍遷的譜線中，選擇設(shè)計雙波長諧振腔，獲得雙波長基波同時輸出，即1.06μm和1.34μm的兩條譜線，然后針對此雙波長基波設(shè)計雙周期結(jié)構(gòu)的介電晶體材料，該雙周期結(jié)構(gòu)晶體對摻Nd離子晶體發(fā)射的較長激光實現(xiàn)有效的倍頻得到一種紅光，再對該可見光與摻Nd離子晶體發(fā)射的較短的譜線進(jìn)行和頻，得到另外一種紫光，完成雙色激光的同時輸出。包括LD泵浦源，摻Nd離子激光晶體，同時產(chǎn)生雙波長振蕩的雙波長諧振腔，以及能同時實現(xiàn)兩個非線性頻率變換過程(倍頻、和頻)的特定結(jié)構(gòu)的變頻晶體。該雙結(jié)構(gòu)PPLN可以對摻Nd離子激光晶體發(fā)射的較長波長激光實現(xiàn)有效的倍頻得到一種可見光；然后對該可見光和摻Nd離子激光晶體發(fā)射的較短波長的譜線進(jìn)行和頻，得到另一更短波長的可見光；于是得到雙色光同時輸出。利用Nd∶YVO4晶體的優(yōu)異的激光性能和它的兩條發(fā)射譜線4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2，設(shè)計雙波長諧振腔，獲得1.064μm和1.342μm雙波長基波同時輸出，然后針對此雙波長基波設(shè)計具有特定雙周期結(jié)構(gòu)的PPLN。該雙周期結(jié)構(gòu)PPLN可以對Nd∶YVO4發(fā)射的1.342μm激光實現(xiàn)有效的倍頻得到紅光(0.671μm)；對0.671μm的紅光和Nd∶YVO4發(fā)射的1.064μm激光實現(xiàn)有效的和頻，得到0.411μm的紫光。從而構(gòu)造出能實現(xiàn)紫、紅雙色激光同時輸出的小型全固態(tài)激光器。1.064μm激光和1.342μm激光以直腔方式(通過說明書附圖可以看出，1.342μm激光在3、6之間振蕩，1.064μm激光在3、7之間振蕩)同時振蕩并共線輸出。腔內(nèi)加入聲光開關(guān)使1.342μm和1.064μm激光準(zhǔn)連續(xù)輸出，提高峰值功率密度和轉(zhuǎn)換效率。雙周期結(jié)構(gòu)PPLN置于控溫爐中，放置于腔外。
本發(fā)明的目的還可通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn)本發(fā)明還可以采用不同基質(zhì)的摻Nd離子激光晶體、選擇不同的發(fā)射譜線同時諧振、使用不同的雙周期結(jié)構(gòu)變頻材料、不同的變頻材料結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)兩種可見光同時輸出。
對摻Nd離子晶體發(fā)射的4F3/2→4I13/2躍遷譜線激光實現(xiàn)有效的倍頻得到紅光，對該紅光與摻Nd離子晶體發(fā)射的4F3/2→4I11/2躍遷譜線激光實現(xiàn)和頻得到紫光的能實現(xiàn)紫、紅雙色激光輸出的全固態(tài)紫、紅雙色激光器。
摻Nd離子晶體激發(fā)4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2雙波長同時振蕩，所說的雙波長同時振蕩包括其它摻Nd離子晶體發(fā)射譜線4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2參與的雙波長同時振蕩，由雙結(jié)構(gòu)的周期電場極化的介電晶體同時實現(xiàn)兩個頻率變換過程，同時輸出雙波長可見光的全固態(tài)紫、紅雙色激光器。不同基質(zhì)的摻Nd離子激光晶體，對應(yīng)的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2的發(fā)射譜線的受激發(fā)射截面和對應(yīng)波長與Nd∶YVO4有所不同，這意味著，對其它摻Nd晶體，適當(dāng)調(diào)整平衡雙波長共振損耗，也可以實現(xiàn)雙波長共振，相應(yīng)修改雙結(jié)構(gòu)變頻材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，它們也適用于本發(fā)明，只是產(chǎn)生的紫、紅雙色激光的波長會略有不同。如Nd∶YAP(Nd∶YAlO3)晶體，對應(yīng)的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2的發(fā)射譜線波長為1.079μm和1.341μm，采用本發(fā)明的方法可以獲得波長為0.6705μm紅光、0.4135μm紫光。
用雙周期結(jié)構(gòu)的PPLN晶體，實現(xiàn)1.342μm激光的倍頻，同時實現(xiàn)1.064μm激光與0.671μm激光的和頻0.411μm產(chǎn)生過程，所用材料是指LiNbO3、LiTaO3、KTP、RTP等非線性光學(xué)材料。由于它們的折射率及色散關(guān)系不同，因此雙周期結(jié)構(gòu)設(shè)計的參數(shù)也有所不同。通常情況下，周期的光學(xué)超晶格材料只能用于倍頻、和頻或差頻等單個非線性頻率變換過程。要實現(xiàn)上述紫、紅雙色激光輸出，PPLN晶體必須提供匹配λ1＝1.342μm倍頻(產(chǎn)生λ2＝0.671μm紅光)的倒格矢，匹配λ3＝1.064μm基波光與λ2＝0.671μm紅光的和頻(產(chǎn)生λ4＝0.411μm紫光)的倒格矢。如果分別由兩塊具有周期結(jié)構(gòu)的LiNbO3來提供，對應(yīng)的周期分別為Λ1、Λ2，滿足如下準(zhǔn)位相匹配條件2πλ1[2n(λ2,T)-2n(λ1,T)]=2πΛ1---(1)]]>2π[n(λ4,T)λ4-n(λ2,T)λ2-n(λ3,T)λ3]=2πΛ2---(2)]]>其中λ1，λ2，λ3，λ4分別對應(yīng)于1.342μm，0.671μm，1.064μm和0.411μm的光波長。
本發(fā)明采用雙周期結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，即在同一片LiNbO3晶體上極化出前后兩個周期結(jié)構(gòu)，周期分別對應(yīng)于Λ1、Λ2，分別提供實現(xiàn)1.342μm倍頻的倒格矢與0.671μm和1.064μm和頻的倒格矢。于是倍頻與和頻在一塊晶片上實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)節(jié)方便，利于系統(tǒng)的小型化。設(shè)定溫度為100℃；按照如下的sellmeier方程計算折射率ne(λ,T)=a1+b1*f(T)+a2+b2*f(T)λ2-[a3+b3*f(T)]2+a4+b4*f(T)λ2-a52-a6*λ2---(3)]]>其中參數(shù)a1＝5.35583，a2＝0.1004/3，a3＝0.20692，a4＝100，a5＝11.34927，a6＝1.5334*10-2，b1＝4.629*10-7b2＝3.862*10-8，b3＝-0.89*10-8，b4＝2.657*10-5f(T)＝(T-24.5)*(T+570.82)T為攝氏溫度。
針對摻Nd離子晶體的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2躍遷，匹配兩個頻率變換過程產(chǎn)生紫、紅兩種可見光同時輸出，改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和匹配溫度，以準(zhǔn)位相匹配方式同時產(chǎn)生紫、紅激光及其各種顏色組合激光輸出的所有全固態(tài)紫、紅雙色激光器。
本發(fā)明的優(yōu)越性1.首次提出全固態(tài)Nd∶YVO4/PPLN 0.671μm和0.411μm紫、紅雙波長激光器，非常適合于醫(yī)學(xué)上光動力療法診斷和治療對激光波長的特殊要求，紫光用于診斷，紅光用于治療，一機(jī)兩用。
2.本發(fā)明采用的諧振腔結(jié)構(gòu)可以同時產(chǎn)生1.064μm和1.342μm的激光振蕩，直腔的結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)節(jié)；而三鏡腔結(jié)構(gòu)易于抑制因雙波長增益競爭而產(chǎn)生的輸出功率不穩(wěn)定性，改善雙波共振脈沖的同步特性(時間重疊)。
3.本發(fā)明采用的雙結(jié)構(gòu)PPLN是一種特定的周期結(jié)構(gòu)?？梢愿鶕?jù)需要，分別設(shè)計前后兩個結(jié)構(gòu)的周期，有效地提供兩個倒格矢，匹配兩個非線性頻率變換過程，且對變頻材料和入射基波都沒有特殊限制。其結(jié)構(gòu)易于得到和制備，具有很大的靈活性和實用性。
4、Nd∶YVO4晶體具有優(yōu)異的激光性能，如吸收系數(shù)大，吸收帶寬，受激發(fā)射截面大，輸出為線偏振等。該晶體的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2躍遷都具有較大的發(fā)射截面，它們發(fā)射截面的比值也易于實現(xiàn)雙波長同時振蕩，獲得高效的1.064μm和1.342μm激光同時輸出。
全固態(tài)紫、紅雙色激光器，同時激發(fā)摻Nd離子激光晶體雙波長激光共振，用一塊雙結(jié)構(gòu)的周期電場極化的鈮酸鋰晶體PPLN(Periodically PoledLithium Niobate)實現(xiàn)倍頻、和頻的非線性頻率轉(zhuǎn)換過程，得到紫、紅雙色激光同時輸出。紫光用于診斷，紅光用于治療，一機(jī)兩用，器件結(jié)構(gòu)緊湊，降低了器件制造、維護(hù)、調(diào)整的復(fù)雜性，也降低了制造和維護(hù)成本，提高了運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性，具有重要的醫(yī)學(xué)應(yīng)用價值。


圖1是本發(fā)明實施例的示意圖。
其中1-半導(dǎo)體二極管激光器(LD)，2-光纖耦合和聚焦準(zhǔn)直系統(tǒng)，3-輸入鏡，4-Nd∶YVO4晶體，5-聲光開關(guān)，6-輸出腔鏡7-輸出腔鏡；8-會聚透鏡，9-控溫爐，10-雙周期結(jié)構(gòu)PPLN晶體。
具體實施例方式下面參照圖1對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
實施實例1制作一臺用于光動力療法的雙周期結(jié)構(gòu)PPLN全固態(tài)紫、紅雙色激光器。以一半導(dǎo)體二極管激光器(LD)1為泵浦源，輸出波長為0.808μm，最大輸出功率為15W，Nd∶YVO4晶體4前后表面鍍上1.064μm和1.342μm減反膜，輸入鏡3對1.064μm和1.342μm雙波長均高反，對0.808μm高透，與輸出腔鏡6組成1.342μm激光諧振腔，與輸出腔鏡7組成1.064μm激光諧振腔，聲光開關(guān)5置于腔內(nèi)，獲得準(zhǔn)連續(xù)的1.064μm和1.342μm激光，一塊雙周期結(jié)構(gòu)PPLN 10(長約2cm)置于控溫爐9中，放于腔外，調(diào)節(jié)溫度，在匹配溫度處得到紫、紅雙色激光的同時輸出。
實施實例2制作一臺用于光動力療法的雙周期結(jié)構(gòu)PPLN全固態(tài)紫、紅雙色激光器，與實例1中不同的是，PPLN 10兩端都鍍以1.064μm和1.342μm減反膜及可見光減反膜，輸入鏡3鍍以1.064μm、1.342μm和可見光高反膜，輸出腔鏡6對1.342μm鍍以高反膜、對1.064μm和可見光鍍以高透膜，輸出腔鏡7對1.064μm鍍以高反膜、對可見光鍍以高透膜。無需聲光開關(guān)。將雙周期結(jié)構(gòu)PPLN置于輸入鏡3和激光輸出腔鏡6所組成的諧振腔內(nèi)，實現(xiàn)腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換得到紫、紅雙色連續(xù)波激光同時輸出。
權(quán)利要求
1.用于光動力療法的全固態(tài)紫、紅雙色激光器，包括由一半導(dǎo)體激光器為泵浦光源，其特征在于摻Nd離子晶體(4)前后表面鍍有1.064μm和1.342μm減反膜，輸入鏡(3)與腔鏡(6)、腔鏡(7)分別組成1.342μm、1.064μm激光諧振腔，1.064μm激光和1.342μm激光以直腔方式同時振蕩并共線輸出，聲光開關(guān)(5)置于腔內(nèi)，再以一塊雙周期結(jié)構(gòu)的周期電場極化的介電晶體(10)置于控溫爐(9)中，放置于腔外。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光動力療法的全固態(tài)紫、紅雙色激光器，其特征在于對摻Nd離子晶體(4)發(fā)射的4F3/2→4I13/2躍遷譜線激光實現(xiàn)有效的倍頻得到紅光，對該紅光與摻Nd離子晶體發(fā)射的4F3/2→4I11/2躍遷譜線激光實現(xiàn)和頻得到紫光的能實現(xiàn)紫、紅雙色激光輸出的全固態(tài)紫、紅雙色激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光動力療法的全固態(tài)紫、紅雙色激光器，其特征在于摻Nd離子晶體(4)激發(fā)4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2雙波長同時振蕩，由雙周期結(jié)構(gòu)的PPLN晶體(10)同時實現(xiàn)兩個頻率變換過程，同時輸出雙波長可見光的全固態(tài)紫、紅雙色激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于光動力療法的全固態(tài)紫、紅雙色激光器，其特征在于用雙周期結(jié)構(gòu)的PPLN晶體(10)，實現(xiàn)1.342μm激光的倍頻，同時實現(xiàn)1.064μm激光與0.671μm激光的和頻0.411μm產(chǎn)生過程，所用材料是指LiNbO3、LiTaO3、KTP、RTP非線性光學(xué)材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光動力療法的全固態(tài)紫、紅雙色激光器，其特征在于針對摻Nd離子晶體(4)的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2躍遷，匹配兩個頻率變換過程產(chǎn)生紫、紅兩種可見光同時輸出，改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和匹配溫度，以準(zhǔn)位相匹配方式同時產(chǎn)生紫、紅激光及其各種顏色組合激光輸出的所有全固態(tài)紫、紅雙色激光器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于光動力療法的全固態(tài)紫、紅雙色激光器，包括由一半導(dǎo)體激光器為泵浦光源，摻Nd離子晶體前后表面鍍有1.064μm和1.342μm減反膜，輸入鏡與腔鏡(6)、腔鏡(7)分別組成1.342μm、1.064μm激光諧振腔，1.064μm激光和1.342μm激光以直腔方式同時振蕩并共線輸出，聲光調(diào)制器置于腔內(nèi)，再以一塊雙周期結(jié)構(gòu)的PPLN晶體置于控溫爐中，放置于腔外。實際醫(yī)療應(yīng)用中，紫光用于診斷，紅光用于治療，一機(jī)兩用。
文檔編號H01S3/08GK1618481SQ20041003646
公開日2005年5月25日 申請日期2004年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月8日
發(fā)明者何京良, 劉杰, 韓可楨, 范秀偉, 王慧田, 祝世寧, 朱永元 申請人:山東師范大學(xué)