一種提高紅外脈沖激光消融效率的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種提高紅外脈沖激光消融效率的裝置及方法，至少包括脈沖延遲控制器、紅外激光器、Nd:YAG激光器、耦合器、大芯徑光纖以及高速相機(jī)，在紅外激光器和Nd:YAG激光器的激光線路上分別設(shè)有分束鏡A和分束鏡B，兩激光器所發(fā)射的激光經(jīng)分束鏡透射后均射向耦合器，所述的耦合器與大芯徑光纖的一端連接，大芯徑光纖的另一端通向位于液體環(huán)境中的被消融目標(biāo)，被消融目標(biāo)的一側(cè)設(shè)有用于捕捉其消融狀態(tài)的高速相機(jī)，所述的脈沖延遲控制器通過信號(hào)線分別與紅外激光器、Nd:YAG激光器以及高速相機(jī)連接并進(jìn)行控制。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，能夠提高消融效率和切割精度，并且減小對被消融目標(biāo)所帶來的損傷。
【專利說明】一種提高紅外脈沖激光消融效率的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明提供了一種在利用紅外脈沖激光對被消融目標(biāo)進(jìn)行消融的進(jìn)程中，提高消融效率的一種裝置，本發(fā)明同時(shí)還提供了一種相對應(yīng)的提高紅外脈沖激光在液體環(huán)境下的消融效率的方法，屬于激光應(yīng)用領(lǐng)域?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]紅外脈沖激光例如波長為2.12 μ m欽激光，2.013 μ m銩激光，2.79 μ m/2.94 μ m鉺激光，由于能被生物組織中主要成分即水大量吸收，例如2.94 μ m的鉺激光吸收系數(shù)高達(dá)1666001^1,并且能在低0H_石英光纖或特種光纖中低損耗傳輸,所以紅外脈沖激光已經(jīng)被廣泛運(yùn)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和激光液體環(huán)境條件下微機(jī)械加工領(lǐng)域。紅外脈沖激光操作在液體環(huán)境條件(水、尿液、血液或混合體)下時(shí)，大部分的激光能量被消耗于汽化效應(yīng)，所以作用于靶材的有效能量將會(huì)降低，結(jié)果消融效率變低，因此液體的熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)直接影響激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理。光汽化效應(yīng)進(jìn)程中產(chǎn)生的汽化泡會(huì)經(jīng)歷多個(gè)周期的動(dòng)態(tài)諧振，并且汽化泡閉合時(shí)輻射振蕩波信號(hào)。汽化泡的形態(tài)、尺寸、壽命決定于激光的脈寬、能量和吸收系數(shù)。由ns級(jí)、μ s級(jí)脈沖激光誘導(dǎo)的汽化泡閉合時(shí)向外輻射沖擊波信號(hào)壓力強(qiáng)度為上千個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，這些沖擊波足以能擊碎腎結(jié)石和膽結(jié)石。但這些沖擊波同時(shí)對細(xì)胞級(jí)和亞細(xì)胞級(jí)的生物組織造成不同程度的結(jié)構(gòu)和功能損傷，還可以使得液體環(huán)境條件下微機(jī)械加工時(shí)靶材表面變性、出現(xiàn)裂紋等。此外，在激光液體環(huán)境條件下微機(jī)械加工領(lǐng)域，人們期待通過液體環(huán)境條件下提高消融效率和消融表面質(zhì)量。因此，有必要采用新的方法來提高紅外脈沖激光液體環(huán)境條件下的消融效率并減小副作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供了一種提高紅外脈沖激光在液體環(huán)境下的消融效率的裝置及方法，解決了【背景技術(shù)】中的不足，該方法能夠提高消融效率和切割精度，并且會(huì)減小對被消融目標(biāo)所帶來的損傷。
[0004]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述目的所采用的技術(shù)方案為:
[0005]一種提高紅外脈沖激光消融效率的裝置，至少包括脈沖延遲控制器、紅外激光器、Nd = YAG激光器、耦合器、大芯徑光纖以及高速相機(jī)，在紅外激光器和Nd = YAG激光器的激光線路上分別設(shè)有分束鏡A和分束鏡B，兩激光器所發(fā)射的激光經(jīng)分束鏡透射后均射向耦合器，所述的耦合器與大芯徑光纖的一端連接，大芯徑光纖的另一端通向位于液體環(huán)境中的被消融目標(biāo)，被消融目標(biāo)的一側(cè)設(shè)有用于捕捉其消融狀態(tài)的高速相機(jī)，所述的脈沖延遲控制器通過信號(hào)線分別與紅外激光器、Nd: YAG激光器以及高速相機(jī)連接并進(jìn)行控制。
[0006]被消融目標(biāo)的另一側(cè)還設(shè)有LED照明燈，所述的LED照明燈與高速相機(jī)同軸設(shè)置。
[0007]還設(shè)有監(jiān)控單元，所述的監(jiān)控單元至少包括探測器Α、探測器B以及示波器，示波器與脈沖延遲控制器連接，其中探測器A和探測器B分別與分束鏡A和分束鏡B相對應(yīng)，檢測分束鏡A和分束鏡B所反射的激光，并將激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，探測器A與探測器B均通過信號(hào)線與示波器連接。
[0008]所述的被消融目標(biāo)的下方還設(shè)有濾波片，所述的濾波片對1.064 波長的光線全反射，對紅外波長全透射，反射率與透射率均不小于90%，濾波片的下方設(shè)有探測器C，探測器C用于檢測透射過濾波片的激光光線并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，探測器C通過信號(hào)線與示波器連接。
[0009]所述的濾波片與探測器C之間還設(shè)有紅外激光凸透鏡。
[0010]所述的被消融目標(biāo)的一側(cè)還設(shè)有針式水聽器，所述的針式水聽器通過信號(hào)線與示波器連接。
[0011]所述的紅外激光器為欽激光器、銩激光器或鉺激光器。
[0012]本發(fā)明還提供了一種提高紅外脈沖激光在液體環(huán)境下的消融效率的方法，包括以下步驟:
[0013]首先脈沖延遲控制器控制Nd = YAG激光器和高速相機(jī)開啟，Nd = YAG激光器發(fā)射Nd: YAG激光作為前置脈沖，Nd: YAG激光經(jīng)過分束鏡B透射、大芯徑光纖傳導(dǎo)后到達(dá)被消融目標(biāo)，由于被消融目標(biāo)處于液體環(huán)境中，Nd:YAG激光首先在大芯徑光纖的端面與被消融目標(biāo)的表面之間的間隙處產(chǎn)生一汽化泡，當(dāng)高速相機(jī)監(jiān)控到汽化泡的體積達(dá)到最大時(shí)，脈沖延遲控制器控制紅外激光器開啟，紅外激光器發(fā)射紅外激光經(jīng)過分束鏡A透射、大芯徑光纖傳導(dǎo)后，穿透汽化泡直接輻射于大芯徑光纖端面下方的被消融目標(biāo)表面進(jìn)行消融，從而提聞消融效率。
[0014]本發(fā)明所提供的技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)點(diǎn):Nd:YAG激光作為前置脈沖提供一個(gè)能形成于光纖端面和生物組織表面間的體積大、壽命長的汽化泡，汽化泡相當(dāng)于打開了一個(gè)“通道”，由于汽化泡對紅外激光脈沖的吸收系數(shù)遠(yuǎn)低于同等條件下的被消融目標(biāo)對紅外激光脈沖的吸收系數(shù)，因此，紅外激光脈沖能以較小的能量損耗到達(dá)被消融目標(biāo)表面或其它靶材，從而簡化了到達(dá)目標(biāo)靶材的途徑，提高了消融效率。
[0015]此外，Nd:YAG激光和紅外脈沖激光分別誘導(dǎo)的汽化泡中心不一致、形狀不規(guī)則、體積大小不同、諧振步調(diào)不同，所以在汽化泡閉合時(shí)輻射的聲波信號(hào)有多個(gè)且強(qiáng)度不高，從而可降低激光誘導(dǎo)聲學(xué)損傷效應(yīng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明提供的提高紅外脈沖激光在液體環(huán)境下的消融效率的裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0017]圖中:1-脈沖延遲控制器，2-紅外激光器，3_Nd:YAG激光器，4-分束鏡A，5_分束鏡B，6-耦合器，7-大芯徑光纖，8-玻璃水槽，9-高速相機(jī)，10-LED照明燈，11-濾波片，12-紅外激光凸透鏡，13-探測器A，14-探測器B，15-探測器C，16-示波器，17-針式水聽器。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明做詳細(xì)具體的說明。
[0019]本發(fā)明所提供的提高紅外脈沖激光在液體環(huán)境下的消融效率的裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括脈沖延遲控制器1、紅外激光器2、Nd:YAG激光器3、耦合器6、大芯徑光纖7以及高速相機(jī)9，所述的紅外激光器2為欽激光器、銩激光器或鉺激光器。
[0020]在紅外激光器2和Nd = YAG激光器3的激光線路上分別設(shè)有分束鏡A4和分束鏡B5,兩激光器所發(fā)射的激光經(jīng)分束鏡透射后均射向稱合器6,所述的稱合器6與大芯徑光纖7的一端連接，大芯徑光纖7的另一端通向被消融目標(biāo),被消融目標(biāo)位于盛有水的玻璃水槽8中，處于液體環(huán)境下。
[0021]被消融目標(biāo)的一側(cè)設(shè)有用于捕捉其消融狀態(tài)的高速相機(jī)9，被消融目標(biāo)的另一側(cè)還設(shè)有LED照明燈10，所述的LED照明燈10與高速相機(jī)9同軸設(shè)置。
[0022]脈沖延遲控制器I通過信號(hào)線分別與紅外激光器2、Nd: YAG激光器3以及高速相機(jī)9連接并進(jìn)行控制。 [0023]監(jiān)控單元包括探測器A13、探測器B14、探測器C15以及示波器16，示波器16與脈沖延遲控制器I連接，其中探測器A13和探測器B14分別與分束鏡A4和分束鏡B5相對應(yīng)，檢測分束鏡A4和分束鏡B5所反射的激光，并將激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，探測器A13與探測器B14均通過信號(hào)線與示波器16連接，將電信號(hào)輸入示波器16的CH3和CH4通道。監(jiān)控單元主要作用是準(zhǔn)確記錄兩種紅外脈沖激光作用時(shí)間延遲及記錄消融性紅外脈沖激光透過汽泡能量大小。
[0024]所述的被消融目標(biāo)的一側(cè)附近還設(shè)有針式水聽器17，針式水聽器17距離大芯徑光纖7端面2mm以上，所述的針式水聽器17通過信號(hào)線與示波器16連接，針式水聽器17探測汽化泡膨脹和閉合時(shí)輻射的沖擊波信號(hào)然后將電信號(hào)輸入示波器CH2通道。
[0025]所述的被消融目標(biāo)的下方還設(shè)有濾波片11，所述的濾波片11對1.064 μ m波長的光線全反射，對紅外波長全透射，反射率與透射率均不小于90%，濾波片11上的入射光束與濾波片11的入射角為45°。探測器C15位于濾波片11的下方并通過信號(hào)線與示波器16連接，所述的濾波片11與探測器C15之間還設(shè)有紅外激光凸透鏡12。透射過濾光片的紅外激光經(jīng)紅外激光凸透鏡匯聚于探測器C15上，并被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入示波器16的CHl通道。
[0026]本實(shí)施例所提供的裝置用于提高紅外脈沖激光在液體環(huán)境下的消融效率的方法如下:首先脈沖延遲控制器控制Nd: YAG激光器和高速相機(jī)開啟，Nd: YAG激光器發(fā)射Nd: YAG激光作為前置脈沖，Nd:YAG激光經(jīng)過分束鏡B透射、大芯徑光纖傳導(dǎo)后到達(dá)被消融目標(biāo)，由于被消融目標(biāo)處于液體環(huán)境中，Nd:YAG激光首先在大芯徑光纖的端面與被消融目標(biāo)的表面之間的間隙處產(chǎn)生一汽化泡，當(dāng)高速相機(jī)監(jiān)控到汽化泡的體積達(dá)到最大時(shí)，脈沖延遲控制器控制紅外激光器開啟，紅外激光器發(fā)射紅外激光經(jīng)過分束鏡A透射、大芯徑光纖傳導(dǎo)后，穿透汽化泡直接輻射于大芯徑光纖端面下方的被消融目標(biāo)表面進(jìn)行消融，從而提高消融效率。
【權(quán)利要求】
1.一種提高紅外脈沖激光消融效率的裝置，其特征在于:至少包括脈沖延遲控制器、紅外激光器、Nd: YAG激光器、耦合器、大芯徑光纖以及高速相機(jī)，在紅外激光器和Nd = YAG激光器的激光線路上分別設(shè)有分束鏡A和分束鏡B，兩激光器所發(fā)射的激光經(jīng)分束鏡透射后均射向耦合器，所述的耦合器與大芯徑光纖的一端連接，大芯徑光纖的另一端通向位于液體環(huán)境中的被消融目標(biāo)，被消融目標(biāo)的一側(cè)設(shè)有用于捕捉其消融狀態(tài)的高速相機(jī)，所述的脈沖延遲控制器通過信號(hào)線分別與紅外激光器、Nd:YAG激光器以及高速相機(jī)連接并進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高紅外脈沖激光消融效率的裝置，其特征在于:被消融目標(biāo)的另一側(cè)還設(shè)有LED照明燈，所述的LED照明燈與高速相機(jī)同軸設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高紅外脈沖激光消融效率的裝置，其特征在于:還設(shè)有監(jiān)控單元，所述的監(jiān)控單元至少包括探測器A、探測器B以及示波器，示波器與脈沖延遲控制器連接，其中探測器A和探測器B分別與分束鏡A和分束鏡B相對應(yīng)，檢測分束鏡A和分束鏡B所反射的激光，并將激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，探測器A與探測器B均通過信號(hào)線與示波器連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高紅外脈沖激光消融效率的裝置，其特征在于:所述的被消融目標(biāo)的下方還設(shè)有濾波片，所述的濾波片對1.064i!m波長的光線全反射，對紅外波長全透射，反射率與透射率均不小于90%，濾波片的下方設(shè)有探測器C，探測器C用于檢測透射過濾波片的激光光線并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，探測器C通過信號(hào)線與示波器連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提高紅外脈沖激光消融效率的裝置，其特征在于:所述的濾波片與探測器C之間還設(shè)有紅外激光凸透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高紅外脈沖激光消融效率的裝置，其特征在于:所述的被消融目標(biāo)的一側(cè)還設(shè)有針式水聽器，所述的針式水聽器通過信號(hào)線與示波器連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高紅外脈沖激光消融效率的裝置，其特征在于:所述的紅外激光器為欽激光器、銩激光器或鉺激光器。
8.一種采用權(quán)利要求1所述裝置提高紅外脈沖激光消融效率的方法，其特征在于包括以下步驟:首先脈沖延遲控制器控制Nd: YAG激光器和高速相機(jī)開啟，Nd: YAG激光器發(fā)射NdiYAG激光作為前置脈沖，NdiYAG激光經(jīng)過分束鏡B透射、大芯徑光纖傳導(dǎo)后到達(dá)被消融目標(biāo)，由于被消融目標(biāo)處于液體環(huán)境中，Nd:YAG激光首先在大芯徑光纖的端面與被消融目標(biāo)的表面之間的間隙處產(chǎn)生一汽化泡，當(dāng)高速相機(jī)監(jiān)控到汽化泡的體積達(dá)到最大時(shí)，脈沖延遲控制器控制紅外激光器開啟，紅外激光器發(fā)射紅外激光經(jīng)過分束鏡A透射、大芯徑光纖傳導(dǎo)后，穿透汽化泡直接輻射于大芯徑光纖端面下方的被消融目標(biāo)表面進(jìn)行消融，從而提聞消融效率。
【文檔編號(hào)】A61B18/20GK103584916SQ201310601433
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月23日
【發(fā)明者】呂濤, 陳昉, 張偉 申請人:中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）