专利名称：掺钕钒酸钇(Nd∶YVO的制作方法
技术领域：
本发明属医疗设备，特别是涉及一种激光医疗设备，它是一种用普通医用光纤传输，具有足够高的激光输出功率或能量，可灵活、方便地用于体表和体内内窥治疗的激光医疗设备。
目前广泛应用于临床的1.06μm NdYAG激光对组织有较深的穿透能力，具有优良的组织凝固和止血效果，但切割组织的能力较差。我们测量了蒸馏水对不同波长辐射的吸收系数(见表1)，发现蒸馏水对1.34μm辐射的吸收系数适中，约为1.06μm NdYAG激光的14.26倍，但较10.6μm CO2激光、2.8μm ErYAG激光和2.1μm HoYAG激光小，在临床治疗中兼具良好的凝固、止血效果和10.6μm激光切割、气化速度快的优点，所以这一波段激光在临床上是一种极有应用价值的新波段激光。
表1.水对不同波长辐射的吸收系数波长(nm) 1047 1053 1064 1070 1079.5吸收系数0.24250.23030.20650.21250.2125α(cm-1)波长(nm) 1313 1318 1338 1341.41351吸收系数1.67881.81582.77742.94503.551α(cm-1)过去，我们开展了激光、非线性晶体对称性、物理性能、器件及其间相互关系的研究，测量了Nd3+离子在YAlO3晶体中4F3/2-4I13/2跃迁的截面σ(H.Y.Shen et al，“Measurement of the Stimulated Emission Cross for4F3/2-4I13/2Transition of Nd3+in YAlO3Crystal”，IEEEJ.Quantum Electron.，Vol.25，No.2，144(1989).)，发现它是NdYAG、NdYLF和NdBEL等晶体跃迁截面的2.4倍以上(H.Y.Shen et al，“Comparision of simultaneous multiple wavelengthlasing in various neodymium host crystal at transitions from4F3/2-4I11/2and4F3/2-4I13/2”，Appl.Phys.Lett.，Vol.56，No.20，1937(1990).)，它与荧光寿命τ的乘积在这些晶体中也是最大的(见表2)，由于στ与激光阈值成反比而与激光输出成正比，因而我们利用NdYAlO3晶体研制成高功率连续激光器，并发明了1341.4μm和1079.5μm激光医疗机，同时申请了中、美发明专利(中国申请号为93117719.7，美国申请号为08/312780)。
表2.一些掺钕激光晶体的基本参数晶体 NdYAG NdYLFNdBEL NdYAlO3NdYVO4荧光寿命τ(μs) 230 480144 150 994F3/2-4I13/2波长(nm) 1338/13181313 1351 1341.4 1342σ(×10-19cm2) 0.9/0.92 0.60.4 2.26.0σ·τ(×10-19cm2·μs) 207/211.6 28857.6 3305944F3/2-4I11/2波长(nm) 1064 1047/1053 1070 1079.5 1064σ(×10-19cm2) 4.0 1.8/1.22.1 4.612σ·τ(×10-19cm2·μs) 920 864/576302.4 6901188从表2看到，NdYVO4晶体在4F3/2-4I11/2和4F3/2-4I13/2跃迁的截面比上述晶体更大，στ也是最大的，因而，它是研制低阈值、高效率激光器较合适的激光晶体。目前国内外致力于发展激光二极管泵浦的片状NdYVO4激光器，但我们认为发展灯泵浦棒状高效掺钕钒酸钇激光器，并将其应用于激光医疗是一项具有广泛应用价值的工作。因为短期内LD的价格不可能与灯比较，尤其是单位输出功率的价格LD比灯贵得多。
基于以上考虑，我们认为发展高效率1064nm和1342nm掺钕钒酸钇激光医疗机是必要的。
高功率掺钕钒酸钇激光器是上述激光医疗机的基础。由于NdYVO4晶体热导率较NdYAG小，所以高功率运转过程NdYVO4晶体的热效应是本发明的关键问题。过去，我们已建立了正交晶体NdYAlO3晶体的热效应的理论(沈鸿元，“正交晶系NdYAP晶体的热效应”，物理学报30，8，1085(1981))，研究了热效应对激光的影响(沈鸿元等，“热效应对b轴NdYAP CW激光输出的影响”，物理学报，31，9，1235(1982))，研制成输出功率高达424W的1079.5nm连续激光器(沈鸿元，“高功率1079.5nmNdYAlO3CW激光器”，中国激光，Vol.19，No.1，19(1992))和输出功率高达195W的1341.4nm NdYAlO3连续激光器(H.Y.Shen et al，“Laser action ofNdYAlO3 crystal at 1300nm”，J.Appl.Phys.，70(30)，1880(1991))。近年来，我们又建立了四方晶系NdYLF晶体热效应的理论(沈鸿元，“四方晶系NdYLF晶体的热效应”，科学通报，Vol.41，No.11，1039(1996))，并已用于LD泵浦高稳定TEM00模NdYLF连续激光器的研制(沈鸿元等，“LD泵浦的高稳定TEM00模NdYLF CW激光器”，激光与光电子学进展，No.7，73(1996))。上述工作为本发明正确利用NdYVO4晶体设计高功率或大能量掺钕钒酸钇激光器提供依据。
在通常的灯泵浦激光器中，激光阈值Pth和输出功率Pout可表示为(W.Koechner，“Analythical Model of a CW YAG Laser”，Laser Focus，April37.1970)
式中，hν是激光光子能量，η1是工作物质吸收带中的灯光功率与输入电功率之比，η2是被工作物质吸收的光功率与泵浦带中灯的发光功率之比，η3是工作物质发出的荧光功率与吸收光功率之比，V、l是工作物质的体积和长度，R1和R2分别是前后镜的反射率，σ和为τ工作物质激光波长的跃迁截面和荧光寿命，Pin是灯的输入电功率，α是工作物质的吸收散射损耗，L是腔中激光的总损耗，IS是饱和参数，它可近似地表示为
式中Δν为跃迁的Lorentgian线宽，λ为激光波长，τμ是激光上能级寿命。
从(1)、(2)式看到，采用στ大的工作物质能有效地降低阈值和提高输出功率，选定工作物质后，减小工作物质体积能降低阈值，从而将更多的泵浦功率转换成激光。在灯泵浦结构中缩小工作物质体积的办法是利用细长棒。
另一方面(2)式中的L，除了包括工作物质吸收、散射损耗、衍射损耗外，在工作物质产生热效应时，还包括由此引起的损耗，当热效应严重时，致使谐振腔从稳定区过渡到非稳定区，由于过大的损耗而使激光停止振荡。因此，降低热效应是高功率激光必须考虑的问题。显然，利用细长棒能有效地通过冷却液排除泵浦过程的热量，降低热效应。另外，适当降低YVO4晶体中Nd3+离子的浓度能有效地降低单位体积中热的产生率，从而降低热效应引起的损耗。
为了进一步提高整机效率，采用脉冲宽度接近100μs的重复频率泵浦源，增大灯发光功率中超过激光阈值的部分在灯发光功率中的比例(见公式2)，使灯发射的平均功率有更多的部分转换成激光的平均功率。另一方面，在泵浦脉冲间隔，工作物质中的热量能有效地被冷却液带走，与连续泵浦方式相比，可适当降低热效应引起的损耗，有利于提高效率。
本发明的目的就在于研制一种以低掺钕浓度钒酸钇晶体a轴细棒为激光工作物质的低阈值高效率1064nm或1342nm激光医疗机。近期可用氪灯或氙灯作泵浦灯，待作为泵浦的809nm激光二极管价格下降后，可用激光二极管作为泵浦。
实现本发明的具体方案有三种其一，本发明的具体技术方案如
图1所示，图中(1)为a轴NdYVO4激光工作物质，特征是低掺钕浓度的钒酸钇晶体，掺钕浓度在0.2mol％～2.0mol％范围。该工作物质的又一特征是细长棒，棒的直径在1～5mm范围，长度在20mm以上；(2)为内径为1～5mm的氪灯或氙灯，长度与工作物质匹配；(3)是滤去紫外辐射的玻璃管；(4)是椭圆型紧包式聚光腔，腔内充满循环冷却液，冷却工作物质和泵浦灯；(5)为全反射镜；(6)是激光输出镜，其特征是一平凸透镜，平面端镀介质膜，与全反射镜形成激光共振腔，凸面起聚焦作用，将激光聚成小点，注入光纤；(7)是自循环冷却器；(8)为电源，其特征为提供脉冲宽度接近100μs的重复率脉冲，其平均电流可从0A连续增加到25A；(9)为发出红色激光的激光二极管，红色激光与掺钕钒酸钇激光同光路从光纤输出，作为被治疗部位指示用；(10)为内径200μm～600μm的医用光导纤维；(11)为配有合适刀头的光纤笔。
启动激光后改变灯的工作电流或电源的储能能输出对病灶实施照射、凝固、碳化、气化和切割所需的不同激光功率或能量的激光。
也可用激光二极管(LD)代替氪灯或氙灯通过侧面泵浦(见图2)或端面泵浦(见图3)达到灯泵浦方案中相似的效果。
其二，图2是LD侧面泵浦方案，(1)是与图1中相同的工作物质加工成方型截面细长棒(截面为1×1～5×5)，长度20mm以上；用多个LD(12)侧向泵浦，在与泵浦垂直方向上用半导体致冷器致冷的热沉(图上没画出)抽取工作物质运转过程产生的热量；(5)、(6)是与图1相似的全反镜和输出镜，其特征也是一平凸透镜，同时起谐振腔输出镜和聚焦透镜的作用；(13)是LD和指示用红色半导体激光的驱动源，其特征与图1相似；(10)、(11)是光纤和光纤笔，其作用与图1中相同。
其三，图3是LD端面泵浦方案，其中(1)是与图1中相同的NdYVO4细长圆柱棒，棒用冷却液冷却(图中没有画出)；(14)是镀在NdYVO4端面的介质膜，它对激光波长1064nm或1342nm全反射，但对809nm波长的泵浦光增透；(6)为平凸输出—聚焦镜，作用与图1中的(6)相同；(15)是Raymond J.Beach在Appl.Opt.Vol.35，No.2 P20005(1996)提出的透镜导管，它将高平均功率准连续多条LD发出的光聚到激光晶体中；(16)为高平均功率准连续多条LD；(10)和(11)与图1中的(10)、(11)相同。
如前所述，1064nm激光在临床上具有优良的凝固、止血效果，已广泛在临床上应用。我们与福建省立医院合作发现1341.4nm NdYAP医疗激光在临床应用上兼具良好的凝固、止血效果和气化、切割速度。所以，1064nm和1342nm波长激光在激光医疗上具有较大的应用价值。
如表2所示，NdYVO4晶体在1064nm和1342nm的στ比其它晶体大，因此，可利用这种晶体研制阈值更低、效率更高的上述波长的激光。本发明拟采用低掺钕浓度(钕浓度范围为0.2～2.0mol％)的直径为1～5mm，长度在20mm以上的细长NdYVO4棒，能有效地降低单位体积热量的产生率和有效地把产生的热量通过冷却液带走，从而有效地降低热效应及由其产生的损耗，这对提高激光器的输出功率和效率是非常重要的。
本发明采用脉冲宽度与NdYVO4荧光寿命99μs相近的准连续泵浦方式，不仅增大了灯发光功率中达到阈值部分在灯发光功率中的比例，使灯发射的平均光功率有更大部分转换成激光的平均功率，有效地提高了输出功率和效率，而且，在泵浦脉冲间隔，冷却液能有效地将泵浦过程晶体产生的热量带走，与连续泵浦方式相比，可适当降低热效应及由此引起的损耗。
综上所述，本发明能获得比现有1μm和1.3μm波段阈值更低、效率更高的激光医疗机，从而减小激光医疗机的体积、重量和功率消耗。
现对图面作简要说明图1是本发明灯泵浦掺钕钒酸钇激光医疗机一实例的构成图；图2是本发明激光二极管侧面泵浦掺钕钒酸钇激光医疗机实例的构成图；图3是本发明激光二极管端面泵浦掺钕钒酸钇激光医疗机实例的构成图。
下面举出实施本发明的典型方案图1是本发明灯泵浦掺钕钒酸钇激光医疗机一实例的构成图，接通激光电源(8)后，自循环冷却器(7)即将水箱中的去离子水泵入含有NdYVO4细长激光棒(1)和泵浦用氪灯或氙灯(2)的密封聚光腔中，视需要可在自循环冷却器中加入二次冷却水(通常采用自来水)冷却自循环器水箱中的去离子水。启动激光电源，电源中的时序控制电路自动完成泵浦灯中氪或氙气的离化并加上预燃电压，使泵浦灯预燃后工作在维持电流状态。根据治疗的需要医生可将电源预置在所需输出激光功率相应的泵浦灯工作电流上。用指示用红色激光二极管(9)输出的与治疗用激光同光路的红色激光将光纤的输出笔(11)对准所需治疗的病灶，踩下电源中包含的脚踏开关，泵浦灯(2)即工作在治疗所需激光功率相应的电流，此时泵浦灯发出的光在聚光腔中集中到工作物质NdYVO4晶体上，YVO4晶体中的Nd3+离子吸收泵浦光后产生的1064nm或1342nm荧光在光学谐振腔(5)、(6)之间振荡于激光波长上(1064nm或1342nm)，通过与输出镜一体的聚焦透镜(6)将激光注入芯径为200～600μm的医用光纤，由对准病灶的光纤笔(11)将激光照射在病灶上，对病灶进行照射、凝固、碳化、气化或切割治疗，视需要而定，光纤笔可配上适当的刀头以配合临床手术的需要。
权利要求
1.一种掺钕钒酸钇(NdYVO4)激光医疗机，包括NdYVO4晶体；用于泵浦所述晶体以使所述晶体形成激活离子(Nd3+离子)粒子数反转分布的泵浦系统以及Nd3+离子发出特定波长的辐射在其中谐振输出该波长激光的谐振腔，其特征在于所述激光波长处于石英光纤的透明波长范围内。
2.如权利要求1所述的掺钕钒酸钇激光医疗机，其特征在于所述的NdYVO4晶体为低掺钕浓度的，其掺钕浓度为0.2mol％～2.0mol％；它的又一特征是细长棒，直径为1～5mm，长度在20mm以上。
3.如权利要求1所述的掺钕钒酸钇激光医疗机，其特征在于所述激光是偏振光。
4.如权利要求1或3所述的掺钕钒酸钇激光医疗机，其特征在于所述的激光波长为1342nm。
5.如权利要求1或3所述的掺钕钒酸钇激光医疗机，其特征在于所述的激光波长为1064nm。
6.如权利要求1～5任一项所述的掺钕钒酸钇激光医疗机，其特征进一步包括传输所述激光的石英光纤；将所述谐振腔输出的所述激光会聚到所述石英光纤一端是通过与谐振腔合二为一的激光会聚透镜；与所述石英光纤另一端相连将所述激光照射到所需治疗病灶部位的光纤笔。
7.如权利要求1所述的掺钕钒酸钇激光医疗机，其特征进一步包括与所述激光同光路指示的半导体激光器，该激光器发出的红色可见激光用于被治疗病灶的指示。
8.如权利要求1所述的掺钕钒酸钇激光医疗机，其特征在于所述泵浦源为脉冲宽度接近100μs的重复率脉冲氪灯光。
9.如权利要求1所述的掺钕钒酸钇激光医疗机，其特征在于所述泵浦源为脉冲氙灯。
10.如权利要求1所述的掺钕钒酸钇激光医疗机，其特征在于所述泵浦源为激光二极管及其驱动源。
11.如权利要求1所述的掺钕钒酸钇激光医疗机，其特征在于包括所述激光装置的冷却系统。
12.如权利要求1所述的掺钕钒酸钇激光医疗机，其特征在于所述泵浦系统包括可连续改变输入功率或能量，以获得对不同病灶照射、凝固、碳化、气化和切割治疗所需激光的电源。
全文摘要
掺钕钒酸钇(Nd∶YVO
文档编号A61N5/06GK1267559SQ9910262
公开日2000年9月27日 申请日期1999年3月18日 优先权日1999年3月18日
发明者沈鸿元, 曾瑞荣, 黄呈辉, 林文雄, 黄文 , 李敢生, 张戈, 黄见洪 申请人:中国科学院福建物质结构研究所