碎石用灯泵染料激光器

碎石用灯泵染料激光器 张国顺 崔满丰 赵祥明 赵爱国 肖桂香 () 天津大学精密仪器与光电子工程学院 摘 要 简要分析了染料的激光机理. 根据碎石对激光参数的要求, 通过采用强预燃泵浦技术和 新型的长灯、长腔、长染料池结构等技术措施, 研制出激光碎石样机. 该样机输出脉冲宽度 1. 5 ,Λs 重复频率 5 , 6脉冲能量大于 200 , 504 染料为 78 .H zR h G m J C m J 关键词 染料激光、碎石、三重态、脉冲上升时间、强预燃 分类号 249TN THE STUDY O F FL A SHL AM P PUM PED DY E L A SER IN CAL CUL I FRA GM ETA T IO N A PPL ICA T IO NS Zhan g Guo shun Cu iM an f en g Zha o X ian gm in g Zha o A iguo X ia o Gu ix ian g ()Schoo l o f P rec isio n In st rum en t s and O p to e lec t ro n ic s E ng. , T ian jin U n ive r sity A bstrac t In th is p ap e r, th e la ste r m ech an ism o f dye s is ana ly sed. A cco rd ing to th e need o f ca lcu li , . 2f ragm en ta t io n fo r la se r p a ram e te r sa sam p le la se r dev ice w a s deve lop edE nh ancedsimm e r p um p ed , . tech no lo gya new typ e f la sh lam p and dye ce ll e tc a re u sedT h e la se r o u tp u t o f a p u lse w id th o f 1. 5 , 5 , 200 678 504 Λsf requency H zp u lse ene rgy o ve r m J f rom R h G so lu t io n and m J f rom C so lu2 .t io n w e re o b ta ined , , , , 2Keywords dye la se rca lcu li f ragm en ta t io nt r ip le t sta tep u lse r ise t im eenh ancedsimm e r 将激光技术用于结石治疗的研究工作始于六七十年代. 当时所用光源为红宝石激光、 CO 2 激光及 YA G 固体激光, 在实验室条件下实现了碎石. 但是, 这些光源的碎石原理都是 靠光的热效应来实现. 要求激光功率大, 易伤及周围组织, 不易用光纤传输与内窥镜配合使 用, 因而难具备临床价值. 进入 80 年代后期, 激光碎石再度受到重视. 研究人员发现了另一 种碎石机理即光声效应, 并找到了合用光源即染料激光. 1987 年美国研制出可用于临床的 结石治疗机. ( 光声效应碎石的机理是: 利用脉冲宽度 1 左右的光脉冲 最大峰值功率 120 、功 Λs kW 8 2 ) 率密度数 10ƒ量级作用于结石表面, 在作用区形成等离子区, 产生机械冲击波, 向结W cm 石内部冲击使之逐渐剥落. 另外, 染料激光的可调谐性及结石、组织对不同波长激光的选择 本文 1996 年 6 月 25 日收到. 1996 年 10 月 22 日收到修改稿. 1938 年生, 男, 教授. 1938, , .Bo rn in m a lep ro f 3 吸收性也使得选择最佳碎石波长成为可能. 1 染料的激光机理 ()染料分子有单重态和三重态两组能级 如图 1 所示. 受激辐射是在第一激发单态 的 S 1 单重态和三重态之间是自旋禁戒跃 最低振转能级和基态 的较高振转能级之间发生的. S 0 迁. T 1 态的粒子由 S 1 2T 1 的系际交叉获得. 因为 ΣT 很大, T 1 态将积累染料分子, 如同一个 “陷井”. 此外, 2的吸收谱和 2的荧光谱相交叠, 将导致荧光猝灭. 对典型染料, 一般T 1 S 2 S 1 S 0 - 9 - 12 7 - 3- 7 为 10量级, 与 ’等的寿命约 10= 10ƒ= 10, 10因此, 为使染料 , , . ΣSP s S 2 bsK ST sΣT s能有效地产生激光输出, 必须用前沿很陡的光脉冲泵浦染料, 在 态积累前完成振荡. 通过 T 1 对典型值的理论计算与实验分析, 一般要求泵浦光脉冲前沿< 1 .Λs 图 1 染料分子的能级结构 图 2 放电回路原理图 . 1 . 2 F igEn ergy leve l struc ture of dye m o lecule F igSchem e of d ischarg in g c ircu it 灯泵染料激光器的加强预燃泵浦技术2 2. 1 影响泵浦光脉冲前沿陡度的因素 激光器性能的优劣与泵浦源关系密切. 染料因其能级特点, 必须用前沿很陡的窄脉冲光 ) 源泵浦. 通过对灯泵染料激光器放电回路的分析表明: 1放电电流的最大值 与回路电感Im ) 、电容 上储能及回路电阻 有关. 增大, 减小 、, 可使 增大; 2放电电流脉L C 0 W C 0 R W C 0 R L Im () 冲上升陡度仅与电容上电压 及电感 有关. 增大 , 减小 , 可使 ƒ增大. 因此, U C 0 L U C 0 L d id tm 要获得大的放电电流脉冲峰值强度和前沿陡度, 应采用有效措施尽量减小放电回路和 . L R () 或扁考察放电回路的组成元件. 在采用低感 无感电容高压储能、火花隙开关放电、编织线 铜片连线及“”形走线等措施后, 减小回路的电感和电阻就集中于减小闪光灯的电感Z 和电阻上. 2. 2 采用加强预燃技术提高光泵脉冲前沿陡度 工作于几十毫安电流预燃状态下的脉冲氙灯近似于一根长度为电极间距 l, 半径为电 ) ( , 为灯的内径的导线. 对一定极间距和内径的闪光灯, 欲使 、 < 流细丝半径 < rr R FL Fr0 r0 减小到极小值, 必须使 近于 , 即放电等离子体充满整个灯管. 增强预燃技术正是为满足 r0 r 采用加强预燃电路原理图如图 3 所示. 强预燃电流的存续时间由 SCR 的开关时间来决 定. 的开关过程是: 导通前强预燃电源给 充电到 , 触发信号 1 作用后 导 SCR SCR C V 0 SCR 通, 强预燃电源经 、、和 给灯加上几安培的强预燃电流. 同时, 在 、和 R 2SCRD 2 D 1 L C SCR 组成的 自换向开关回路中, 电流、电压变化规律为L C 1 ()()( )V - id t = L iƒd t 1 0 cd c ? C 1 ( ) ()( )id t 2 U c t= V 0 -c? C () U 0= V ()c 0 3 () 其解 未反向关断 前为 SCR ( ) ()U t= V co sΞt4 c 0 ()( ) () 5 it= V ƒΞL sin Ξtc 0 1ƒ2) ( 式中: = 1ƒ. 当 = , 电容 上 时 ΞL C Ξt ΠC 对 电压反向充电到最大值. 开始关断 SCR. 图 3 加强预燃电路原理 2 ) ( 一定的强预燃存续时间 , 有 = ?, ƒtL C tΠ- Schem e of en han ceds imm er c ircu it F ig. 3 实际取值时, 不宜过大, 也不宜太小. 太C C 小会使关断不可靠, C 太大则会使 SCR 关断后 C 经 D 2、D 1 对灯 F 放电时间延长, 跳变电流 过大. 实验观察到的强预燃电流波形及灯放电脉冲光波形如图 4 所示. 图 4 强预燃电流波形和灯放电脉冲光波形 - . 4 F igEn han ceds imm er curren t wave sf orm an d f la sh lam p d ischarg in g pulsed l igh t wavef orm 3 激光头结构 灯泵染料激光器的激光头结构与固体激光器大体相同. 差别是染料激光器的激光工作 物质是高速流过染料池的染料溶液. 为获得稳定、高质量的激光输出, 要求染料溶液在染料 池中的流动高速而稳定、无涡流. 因此, 染料循环系统的结构设计很重要. 设计染料循环系统 如图 5 所示. 为减小热效应影响, 将染料溶液和冷却水经专门吹制的玻璃管对流冷却. 聚光腔的作用是将泵浦光能特别是与激 光工作物质吸收光谱重心相匹配的光谱成分 的辐射光能, 最大限度地聚焦到工作物质上. 经比较金属膜、多层介质膜和硫酸铋及聚四 氟乙烯漫反射聚光腔, 发现聚四氟乙烯漫反 射腔最适于作灯泵染料激光器的聚光腔. 该 反射层的漫反射率达到 90%, 98% , 且 与波长无关. 图 5 循环系统框图 . 5 F igSchem a t ic d iagram of dye so lut ion 4 实验结果与讨论c ircula te sy stem 经几年的实验研究与改进, 使直管氙灯 泵浦的脉冲染料激光器达到能够通过光纤碎石的程度, 系统结构如图 6 所示. 关键技术是采 用加强预燃泵浦系统, 使放电脉冲前沿接近 0. 1 放电脉冲宽度为 1. 5 从而克服了三 . , ΛsΛs重态的影响, 使激光器能够稳定工作. 重复频率为 5 时, 504 染料溶液获得每脉冲 78 H z C m J 将波长为 13%. 的绿光输出. R h 6G 染料溶液可有每脉冲 200 m J 的输出, 总体效率接近 0. 690 nm 的 R h 6G 激光脉冲耦合入石英光纤中进行离体结石的碎石实验, 黑褐色结石置于生 理食盐水内, 光纤端部接触结石, 可将结石粉碎, 其碎石过程是每个激光脉冲打下零点几毫 克的粉末, 用几千个激光脉冲才能将结石粉碎. 图 6 系统结构框图 . 6 F igSy stem strac tura l d iagram 染料输出的激光波长 504 , 比 染料输出的 590 要短, 因而碎石阈值 504 6C nm R h G nm 更低, 对组织的损伤也小, 但因 染料易受光分解, 使用时需经常更换染料, 而 染 504 6C R h G 料溶液性能稳定, 能够工作几个月不必更换, 在实用性方面有一定的优点. 参考文献 1 S tep h en P D re t le r et a l. P u lsed dye la se r f ragm en ta t io n o f u re te ra l ca lcu li in it ia l c lin ica l exp e r im en t. T h e Jo u rna l ( ) , 1987; 137 3: 386, 389o f U ro lo gy ( ) 德舍费尔 译. 染料激光器. 北京: 科学出版社, 1987F P 2 ( ) 傅裕寿等. 激光破碎尿路结石的研究. 四川激光杂志, 1982; 3 3: 16, 19 3