本發(fā)明涉及一種高功率雙模式摻銩全光纖激光器。

背景技術(shù)：

銩激光已廣泛用于良性前列腺增生癥（BPH）的組織切除、泌尿系腫瘤切除。臨床上用于精細(xì)切割治療的最佳激光是銩激光，運(yùn)行方式為連續(xù)運(yùn)行，激光功率通常為120W，但它不能碎石，而在治療泌尿系結(jié)石上比較優(yōu)越的鈥激光卻不能達(dá)到精細(xì)切割治療BPH和腫瘤等疾病的目的。鈥激光運(yùn)行方式為脈沖式運(yùn)行，平均功率60~100W，峰值功率近10kW。在泌尿外科微創(chuàng)手術(shù)治療過程中，往往需要同時(shí)使用銩激光和鈥激光才能完成整個(gè)手術(shù)治療。如何將銩激光和鈥激光功能融為一體，單光纖輸出，以達(dá)到節(jié)省資源、提高效率的目的，方便臨床手術(shù)操作和使用，提高治療效率，是目前亟需解決的問題。

目前針對(duì)該問題，多家醫(yī)療設(shè)備公司采用多波長激光聯(lián)合治療的方案。比如公告號(hào)為CN102090927A的中國專利，公開了一種雙波長激光治療機(jī)。治療機(jī)將1470nm激光或者980nm激光與鈥激光集成在一臺(tái)設(shè)備內(nèi)，通過光纖耦合裝置將兩臺(tái)激光器發(fā)射出的激光耦合進(jìn)入一根醫(yī)用激光光纖。公告號(hào)為CN104207846A的中國專利，公開了一種銩-鈥二合一雙波長多功能泌尿外科激光治療機(jī)。該治療機(jī)將用于組織切割的銩激光與用于碎石的鈥激光集成在一臺(tái)設(shè)備內(nèi)，通過光纖耦合系統(tǒng)將分別由銩激光器和鈥激光器發(fā)出的激光耦合進(jìn)一根醫(yī)用激光光纖。多波長聯(lián)合治療方案解決了手術(shù)中更換設(shè)備的麻煩，但增加了控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)光纖耦合系統(tǒng)的要求很高，大大增加了耦合進(jìn)入小芯徑醫(yī)用激光光纖的難度。

實(shí)現(xiàn)雙模式運(yùn)行的激光器，一臺(tái)激光器既可以連續(xù)運(yùn)行，進(jìn)行軟組織的精細(xì)切割，也可以脈沖模式運(yùn)行，完成碎石功能，是一個(gè)好的解決方案。目前比較有效實(shí)現(xiàn)該波段雙模式激光的方法有聲光調(diào)Q固體激光器和聲光調(diào)Q光纖激光器，聲光Q開關(guān)關(guān)閉可輸出連續(xù)激光，聲光Q開關(guān)開啟可輸出脈沖激光，國內(nèi)外還未有相關(guān)產(chǎn)品。該類激光器不屬于學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)，目前只有少數(shù)幾家研究單位在這方面進(jìn)行了初步研究。國內(nèi)的深圳大學(xué)對(duì)聲光調(diào)Q摻銩光纖激光器種子源進(jìn)行了初步研究，但這些研究僅限于實(shí)驗(yàn)室，所用方案使用了光學(xué)鏡片做為激光諧振腔、空間結(jié)構(gòu)的聲光Q開關(guān)等空間元件，很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，而且平均輸出功率只有1.27W，與實(shí)際應(yīng)用功率相差過大。中科院理化所對(duì)聲光調(diào)Q固體Tm:YAG進(jìn)行了研究，平均功率達(dá)到171.4W，所用方案中用了三個(gè)聲光Q開關(guān)，光光轉(zhuǎn)換效率為13.3%，該方案元器件過多，轉(zhuǎn)換效率低，不適合產(chǎn)品化。本發(fā)明涉及的激光器為種子源加兩級(jí)放大的全光纖結(jié)構(gòu)，可以解決空間器件容易受振動(dòng)導(dǎo)致激光功率輸出不穩(wěn)定的問題，也能解決固體激光器轉(zhuǎn)換效率低的問題，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題及缺點(diǎn)，提供一種百瓦級(jí)雙模式摻銩全光纖激光器，整個(gè)系統(tǒng)采用全光纖結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，采用水冷方式，具有高光束質(zhì)量、高可靠性、高穩(wěn)定性、高轉(zhuǎn)換效率等顯著優(yōu)點(diǎn)，非常適合產(chǎn)品化。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

百瓦級(jí)雙模式摻銩全光纖激光器，如圖1所示，采用光纖種子源加兩級(jí)光纖放大器結(jié)構(gòu)組成的全光纖激光器，其特征在于：種子源由帶尾纖輸出的泵浦源（1）、信號(hào)光反射光纖光柵（2）、單模雙包層摻銩光纖（3）、帶尾纖的聲光Q開關(guān)（4）、輸出耦合光纖光柵（5）和包層光剝離器（6）組成。放大器由光纖隔離器（7）（12）、帶尾纖輸出的泵浦源（8）（13）、泵浦合束器（9）（14）、雙包層摻銩光纖（10）（15）、包層光剝離器（11）（16）、光纖端冒（17）組成。種子源的泵浦源（1）與信號(hào)光反射光纖光柵（2）相連接，信號(hào)光反射光纖光柵（2）與輸出耦合光纖光柵（5）之間依次熔接單模雙包層摻銩光纖（3）、聲光Q開關(guān)（4），輸出耦合光纖光柵（5）另一端與包層光剝離器（6）相連接，包層光剝離器（6）的另一端與一級(jí)放大器的光纖隔離器（7）相連接，光纖隔離器（7）另一端與放大器的泵浦合束器（9）的信號(hào)光輸入端相連接，泵浦合束器（9）的泵浦輸入端與泵浦源（8）相連接，泵浦合束器（9）的信號(hào)光輸出端與雙包層摻銩光纖（10）相連接，雙包層摻銩光纖（10）另一端與包層光濾除器（11）相連接，包層光濾除器（11）的另一端與二級(jí)放大器的光纖隔離器（12）相連接，二級(jí)放大器結(jié)構(gòu)與第一級(jí)結(jié)構(gòu)相同。二級(jí)放大器的包層光濾除器（16）的一端連接光纖端冒（17）做為激光輸出端。該激光器可以實(shí)現(xiàn)2um波段連續(xù)或者脈沖激光功率80W~ 120W。

所述的帶尾纖輸出的泵浦源（1）（8）（13）輸出波長為793nm，尾纖為多模光纖，為防止反饋光損壞泵浦源，泵浦源帶有對(duì)1900 ~ 2100nm波段激光的防護(hù)功能。

所述的信號(hào)光反射光纖光柵（2）對(duì)793nm泵浦光高透，透過率大于99%；對(duì)信號(hào)光反射，反射率大于99.5%，信號(hào)光的波長在1900～2100nm范圍可選。

所述的雙包層摻銩光纖（3）（10）（15）為雙包層光纖，其纖芯材料為摻銩石英玻璃，內(nèi)包層的橫截面是八角形或者非圓形的其它形狀。

所述的聲光Q開關(guān)（4）為光纖耦合聲光調(diào)制器，輸入/輸出端采用單模光纖，調(diào)制晶體采用TeO2，可實(shí)現(xiàn)對(duì)2um波段激光的調(diào)制輸出。

所述的輸出耦合光纖光柵（5）對(duì)793nm泵浦光高透，透過率大于99%；對(duì)信號(hào)光部分反射，反射率為5%-20%。其與信號(hào)光反射光纖光柵（2）構(gòu)成激光器的諧振腔，信號(hào)光反射光纖光柵（2）選取的信號(hào)光波長與輸出耦合光纖光柵（5）的反射波長相匹配。

所述的包層光剝離器（6）（11）（16）實(shí)現(xiàn)對(duì)雙包層光纖包層中殘留光的剝離，泵浦光可以實(shí)現(xiàn)20dB的剝離，從而大大減少輸出端包層光的功率，有利于對(duì)后續(xù)器件的保護(hù)。

所述的光纖隔離器（7）（12）只允許激光的單向通行，輸入/輸出端采用單模光纖，對(duì)反向傳輸?shù)募す饪蓪?shí)現(xiàn)20dB的隔離，從而大大減少后端反向傳輸?shù)募す鈱?duì)前端的影響。

所述的泵浦合束器（9）（14）泵浦輸入端為多根與泵浦源（8）（13）尾纖相同的多模光纖，使多束泵浦光實(shí)現(xiàn)合束，該合束器具有較大的反向隔離度，可以保證帶尾纖輸出的泵浦源（8）（13）不會(huì)因?yàn)榉答伖β蔬^大而損壞。

所述的光纖端冒（17）是在輸出光纖末端熔接尺寸比纖芯尺寸大20~200倍的石英圓柱體，圓柱體輸出端成斜角，并鍍2um波段增透膜。光纖端冒即可以避免因光功率密度過高導(dǎo)致光纖輸出端面的損壞，也可以減少激光在輸出端面的反射。

附圖說明

圖1 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍：如圖1所示，本發(fā)明采用光纖種子源加兩級(jí)光纖放大器結(jié)構(gòu)組成的全光纖激光器，其特征在于：種子源由帶尾纖輸出的泵浦源（1）、信號(hào)光反射光纖光柵（2）、雙包層摻銩光纖（3）、帶尾纖的聲光Q開關(guān)（4）、輸出耦合光纖光柵（5）和包層光剝離器（6）組成。放大器由光纖隔離器（7）（12）、帶尾纖輸出的泵浦源（8）（13）、泵浦合束器（9）（14）、雙包層摻銩光纖（10）（15）、和包層光剝離器（11）（16）組成。種子源的泵浦源（1）與信號(hào)光反射光纖光柵（2）相連接，信號(hào)光反射光纖光柵（2）與輸出耦合光纖光柵（5）之間依次熔接單模雙包層摻銩光纖（3）、聲光Q開關(guān)（4），輸出耦合光纖光柵（5）另一端與包層光剝離器（6）相連接，包層光剝離器（6）的另一端與一級(jí)放大器的光纖隔離器（7）相連接，光纖隔離器（7）另一端與放大器的泵浦合束器（9）的信號(hào)光輸入端相連接，泵浦合束器（9）的泵浦輸入端與泵浦源（8）相連接，泵浦合束器（9）的信號(hào)光輸出端與雙包層摻銩光纖（10）相連接，雙包層摻銩光纖（10）另一端與包層光濾除器（11）相連接，包層光濾除器（11）的另一端與二級(jí)放大器的光纖隔離器（12）相連接，二級(jí)放大器結(jié)構(gòu)與第一級(jí)結(jié)構(gòu)相同。二級(jí)放大器的包層光濾除器（16）的一端連接光纖端冒（17）做為激光輸出端。該激光器可以實(shí)現(xiàn)2um波段連續(xù)或者脈沖激光功率80W~ 120W。

所述的帶尾纖輸出的泵浦源（1）輸出波長為793nm，單個(gè)輸出功率為6W，泵浦源輸出尾纖為105/125um，與信號(hào)光反射光纖光柵（2）相熔接，使泵浦功率以最少的損耗耦合進(jìn)信號(hào)光反射光纖光柵（2）。

所述的信號(hào)光反射光纖光柵（2）是對(duì)793nm泵浦光高透，透過率大于99.5%；對(duì)信號(hào)光1940nm反射，反射帶寬為1.5nm，反射率大于99.5%。

所述的雙包層摻銩光纖（3）是單模雙包層光纖，其纖芯材料為摻銩石英玻璃，內(nèi)包層的橫截面是八角形，纖芯直徑為10um，包層直徑為130um，光纖長度為6米，其參數(shù)需要與無源光纖相匹配，才能保證熔接時(shí)損耗最小。

所述的聲光Q開關(guān)（4）為光纖耦合聲光調(diào)制器，輸入/輸出端采用單模雙包層無源光纖，通過Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器可控制聲光Q開關(guān)的工作狀態(tài)。

所述的輸出耦合光纖光柵（5）對(duì)793nm泵浦光高透，透過率大于99.5%；對(duì)信號(hào)光1940nm部分反射，反射帶寬為0.5nm，反射率為10%。其與信號(hào)光反射光纖光柵（2）構(gòu)成激光器的諧振腔。

所述的包層光剝離器（6）所用光纖為10/130um無源光纖，一端與輸出耦合光纖光柵（5）相熔接，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙包層光纖包層中殘余光的剝離，從而大大減少輸出端包層光的功率。

所述的種子源中波長相匹配的信號(hào)光反射光纖光柵（2）和輸出耦合光纖光柵（5）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光波長的選擇。種子源輸出激光波長為1940nm，連續(xù)或者脈沖(@10Hz)激光平均功率為800mW。

所述的光纖隔離器（7）針對(duì)非偏振激光的隔離，輸入/輸出端采用單模無源光纖，光纖尺寸為9/125um，承受激光功率為2W。隔離器采用空間器件封裝，激光進(jìn)入隔離器需要經(jīng)過光束準(zhǔn)直，經(jīng)過隔離器后再耦合進(jìn)入光纖，會(huì)有高達(dá)1.2dB損耗，對(duì)反向傳輸?shù)募す饪蓪?shí)現(xiàn)20dB的隔離，可對(duì)各級(jí)結(jié)構(gòu)之間實(shí)現(xiàn)有效隔離。

所述的帶尾纖輸出的泵浦源（8）共2個(gè)，輸出波長為793nm，單個(gè)輸出功率為12W，泵浦源輸出尾纖為105/125um無源光纖，與泵浦合束器（9）的泵浦輸入端相熔接，使泵浦功率以最少的損耗耦合進(jìn)泵浦合束器（9）的信號(hào)輸出端。

所述的泵浦合束器（9）采用（2+1）*1的合束器，該合束器是把2個(gè)泵浦端輸入的泵浦光合束到信號(hào)輸出端的光纖包層內(nèi)。泵浦合束器（9）有2個(gè)泵浦輸入端、一個(gè)信號(hào)輸入端和一個(gè)信號(hào)輸出端。泵浦合束器（9）的信號(hào)輸出端光纖與雙包層摻銩光纖（10）相連接該熔接需要盡量保證信號(hào)光的損耗最小。

所述的雙包層摻銩光纖（10）與所述的雙包層摻銩光纖（3）規(guī)格型號(hào)相同。

所述的包層光剝離器（11）與所述的包層光剝離器（6）規(guī)格型號(hào)相同。

所述的第一級(jí)放大系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)種子光源的放大，輸出連續(xù)或者脈沖(@10Hz)激光平均功率為8W。

所述的光纖隔離器（12）與所述的光纖隔離器（7）原理相同，最大可承受功率為10W。光纖隔離器輸出端光纖與泵浦合束器（14）的信號(hào)輸入端相熔接。

所述的帶尾纖輸出的泵浦源（13）共5個(gè)，輸出波長為793nm，單個(gè)輸出功率為50W，泵浦源輸出尾纖為200/220um，與泵浦合束器（14）的泵浦輸入端相熔接，使泵浦功率以最少的損耗耦合進(jìn)泵浦合束器（14）的信號(hào)輸出端。

所述的泵浦合束器（14）采用（6+1）*1的合束器，該合束器是把6個(gè)泵浦端輸入的泵浦光合束到信號(hào)輸出端的光纖包層內(nèi)。泵浦合束器（14）有6個(gè)泵浦輸入端、一個(gè)信號(hào)輸入端和一個(gè)信號(hào)輸出端。泵浦合束器（14）的信號(hào)輸出端光纖與雙包層摻銩光纖（15）相連接該熔接需要盡量保證信號(hào)光的損耗最小。

所述的雙包層摻銩光纖（15）為大模場(chǎng)面積雙包層光纖，其纖芯直徑為25um，包層直徑為400um,光纖長度為9米。包層的橫截面是八角形，其參數(shù)需要與泵浦合束器（14）信號(hào)輸出端無源光纖相匹配，才能保證熔接時(shí)損耗最小。

所述的包層光濾除器（16）所用光纖為25/400um無源光纖，該光纖與雙包層摻銩光纖匹配，可承受30W的泄露激光功率。

所述的光纖端冒（17）可以避免因光功率密度過高導(dǎo)致光纖輸出端面的損壞。

隨著泵浦光功率的增加，雙包層摻銩光纖（15）的散熱變的非常重要，特別是在脈沖模式下，由于峰值功率密度可達(dá)10kW，溫度過高的雙包層摻銩光纖纖芯的熱透鏡效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致自聚焦現(xiàn)象，導(dǎo)致光纖出現(xiàn)周期性的損壞點(diǎn)。

在聲光Q開關(guān)關(guān)閉的情況下，可獲得最大120W連續(xù)功率1940nm激光的輸出，在聲光Q開關(guān)開啟的情況下，可獲得脈沖功率80W@10kHz激光的輸出。