一种液体光致击穿及空化效应的研究系统

摘要

一种液体光致击穿及空化效应的研究系统，泵浦源模块与探测源模块的发射激光通过A二向色镜合束，A二向色镜的主光轴方向依次设置有50％分光镜、40倍物镜、样品池、20倍物镜、二向色镜、聚焦透镜和光电探测器；50％分光镜的垂直方向设置有激光能量功率计；样品池的三个壁上紧贴有物镜，其中10倍物镜和高速摄影机相连，样品池的另一个壁上设置有垂直LED光源；光电探测器和示波器相连，本发明可以实现纳秒激光诱导的液体光致击穿，并通过高速摄影机、EMCCD相机和光电探测设备，对击穿过程中形成的空化气泡图像信息进行实时监测，同时记录激光能量信息；为激光医疗中选择激光剂量、作用方式和预估作用效果提供直接的理论指导和实践支持。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学系统，具体涉及一种液体光致击穿及空化效应的研究系统。

背景技术

激光技术从60年代中期就开始在生物医学领域得到了应用，通过将不同能量和脉宽的激光应用于生物组织，人们观察到了多种光与组织相互作用的现象。其中，生物组织中的光致击穿现象发生在高功率密度、短脉冲宽度的激光作用下，是近年来激光空化领域研究的重点和热点。

光致击穿物理过程为：强激光使焦点附近的水电离形成等离子体，等离子体吸收后续激光向外膨胀，压缩周围液体介质形成冲击波，冲击波传播至远场衰减为普通声波，随后冲击波与等离子体分离，等离子体诱导形成空泡，此时空泡的半径为初始半径，空泡在内外压强差作用下经历一系列膨胀-收缩-膨胀的脉动过程，并且在收缩至最小半径即闭合时辐射声波。空化气泡振荡时产生的冲击波和气泡破裂时产生的射流具有机械效应，可以用于生物组织剥离、切除、穿孔和碎石等多种治疗领域，具有非常好的应用前景。

在激光医学领域，激光空化的机械效应被应用在各类医学手术中，例如光剥离，光切除和光碎石。目前外科手术中光致空化效应最主要的应用就是激光介导的晶状体囊切除术，利用激光空化效应可以最大程度减少手术设备入侵人体，因此该技术在非侵入式手术中已成为一种非常有用的工具，同时它也应用于泌尿系统结石的激光诱导碎石术中。

需要注意的是，在有些情况下这些机械效应也会产生负面作用，例如眼内组织切除时空化效应有可能破坏周围敏感组织，或是在脉冲激光血管成形术中，空化气泡会导致血管壁膨胀。总而言之，液体中的光致击穿效应为人们提供了一种精确可控、简洁方便的损伤靶目标的手段，具有十分广泛的适用性。但与此同时，空化可能带来的负面效应也必须引起重视。只有合理的利用激光空化效应，规避不利影响，才能使这项技术真正的发挥价值，造福人类。

为了合理高效的利用光致击穿效应，尽可能的发挥技术的应用价值，问题的实质还是在于掌握激光与液体介质作用的物理原理和作用机制，从根源上理解液体的光致击穿效应，才能在应用中实现精准调控，趋利避害。但是由于液体性质的特殊性，并且液体击穿后产生的现象十分复杂，目前对液体光致击穿现象的物理机理的研究还不成熟。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种液体光致击穿及空化效应的研究系统，该系统采用泵浦-探测技术，可以实现纳秒激光诱导的液体光致击穿，并通过高速摄影机、EMCCD相机和光电探测设备，对击穿过程中形成的空化气泡图像信息进行实时监测，同时记录激光能量信息。本发明可以用于液体光致击穿的系统性研究，为激光医疗中选择激光剂量、作用方式和预估作用效果提供直接的理论指导和实践支持，具有重大的实际应用价值。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种液体光致击穿及空化效应的研究系统，包括通过532nm脉冲激光器12和A激光扩束镜11构成的用于发射纳秒脉冲激光的泵浦源模块，还包括通过660nm连续激光器1和B激光扩束镜2构成的用于发射探测激光的探测源模块，泵浦源模块与探测源模块的发射激光通过A二向色镜3合束，A二向色镜3的主光轴方向依次设置有50％分光镜13、40倍物镜14、样品池5、20倍物镜16、二向色镜8、聚焦透镜9和光电探测器10；50％分光镜13的垂直方向设置有激光能量功率计4；样品池5的三个壁上分别紧贴有40倍物镜14、10倍物镜7和20倍物镜16，10倍物镜7和高速摄影机6相连，样品池5的另一个壁上设置有垂直LED光源15；LED光源15、10倍物镜7和高速摄影机6在同一方向上且与主光轴方向垂直；B二向色镜8的垂直方向设置有阻隔532nm激光的挡板17，光电探测器10和示波器18通过数据线相连。

所述的660nm连续激光器1、激光准直扩束模块2、二向色镜3、50％分光镜13、40倍物镜14、样品池5、20倍物镜16、二向色镜8、聚焦透镜9和光电探测器10全部保证放置在同一轴线上，并且高度保持一致，确保660nm连续激光器1发射的激光可以穿过每一个部件的轴心位置。

所述的A二向色镜3与主光轴方向45°夹角放置。

所述的B二向色镜8与主光轴方向135°夹角放置。

所述的532nm脉冲激光器12、激光准直扩束模块11和二向色镜3放置在同一轴线上且保持高度一致，该轴线方向与主光轴方向垂直。

本发明的优点：

1，本发明中涉及的散射光检测模块利用散射光检测方法探测光致空化中产生的空泡信息，这种方法不受光学分辨率极限的限制，能够获取小于衍射极限尺度的微小空泡的信号，并将空化气泡振荡全过程的动态信息精确的反映在波形之中。最小可以检测到尺寸150nm的空泡，时间分辨率可达1ns，其它的空化气泡检测技术的空间分辨率无法突破光学衍射极限，时间分辨率最高只能达到微秒量级。因此本发明的探测效果在时间和空间分辨率上具有不可比拟的优势。

2，本发明可以为激光医学中激光剂量和作用方式的选择，以及作用效果的预估提供理论指导方案，提高激光医学手术的治疗效率，减少手术副作用，在临床应用中具有很大的应用价值。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为系统中高速摄影相机采集到的空化气泡照片；其中图2a是直径78.57μm的空化气泡的图片，图2b是直径13.717μm的空化气泡的图片。

图3为系统中示波器采集到的散射光信号；其中图3a是入射泵浦激光能量等于141.6μJ时测得的散射信号，图3b是入射泵浦激光能量等于220.5μJ时测得的散射信号；图3c是入射泵浦激光能量等于320.0μJ时测得的散射信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1、图2，一种液体光致击穿及空化效应的研究系统，包括通过532nm脉冲激光器12和A激光扩束镜11构成的用于发射纳秒脉冲激光的泵浦源模块，还包括通过660nm连续激光器1和B激光扩束镜2构成的用于发射探测激光的探测源模块，泵浦源模块与探测源模块的发射激光通过A二向色镜3合束，A二向色镜3的主光轴方向依次设置有50％分光镜13、40倍物镜14、样品池5、20倍物镜16、二向色镜8、聚焦透镜9和光电探测器10；50％分光镜13的垂直方向设置有激光能量功率计4；样品池5的三个壁上分别紧贴有40倍物镜14、10倍物镜7和20倍物镜16，10倍物镜7和高速摄影机6相连，样品池5的另一个壁上设置有垂直LED光源15；LED光源15、10倍物镜7和高速摄影机6在同一方向上且与主光轴方向垂直；B二向色镜8的垂直方向设置有阻隔532nm激光的挡板17，光电探测器10和示波器18通过数据线相连，光电探测器10探测到的数据在示波器18中显示出来。

所述的660nm连续激光器1、激光准直扩束模块2、二向色镜3、50％分光镜13、40倍物镜14、样品池5、20倍物镜16、二向色镜8、聚焦透镜9和光电探测器10全部保证放置在同一轴线上，并且高度保持一致，确保660nm连续激光器1发射的激光可以穿过每一个部件的轴心位置。

所述的A二向色镜3与主光轴方向45°夹角放置。

所述的B二向色镜8与主光轴方向135°夹角放置。

所述的532nm脉冲激光器12、激光准直扩束模块11和二向色镜3放置在同一轴线上且保持高度一致，该轴线方向与主光轴方向垂直。

本发明的工作原理为：

泵浦源模块与探测源模块的发射激光通过A二向色镜3合束，合束后的光束通过50％分光镜13一半进入激光能量功率计4进行计量，另一半继续沿主光轴方向传播进入40倍物镜14聚焦到样品池5内的液体样品，LED光源15照亮样品池5区域，10倍物镜7和高速摄影机6用于显示空化气泡图像，参照图2(a)为直径78.57μm的空化气泡的图片，参照图2(b)为直径13.717μm的空化气泡的图片；20倍物镜16接收透射过样品池5的光通过B二向色镜8将532nm激光和660nm激光分束，532nm激光被挡板17阻挡，660nm激光继续沿主轴方向通过聚焦透镜9，且被光电探测器10接收到，光电探测器10探测到的数据在示波器18中显示出来；参照图3(a)，为入射泵浦激光能量等于141.6μJ时测得的散射信号，参照图3(b)，为入射泵浦激光能量等于220.5μJ时测得的散射信号；参照图3(c)为入射泵浦激光能量等于320.0μJ时测得的散射信号。