具有腔内涂层的被动Q开关微芯片激光器和具有这种微芯片激光器的手持件

摘要

一种微芯片激光器和一种包括微芯片激光器的手持件。微芯片激光器包括具有输入面和输出面的激光介质。输入面涂覆有在微芯片激光波长下高反射性以及在泵浦波长下高透射性的电介质涂层。输出面涂覆有在微芯片激光器波长下部分反射的电介质涂层。可饱和吸收体通过分子间力附接至微芯片激光器的输出面。一种用于皮肤治疗的手持件，包括微芯片激光器。

说明书

技术领域

本系统涉及封装在手持件中的被动Q开关微芯片激光器，并且具体地涉及具有双程泵浦配置的微芯片激光器。

背景技术

本领域已知用于皮肤病的非侵入式治疗的系统。典型地，这种系统包括机柜和关节臂，激光器被放置在所述机柜中，关节臂连接手持件，手持件将来自激光器的激光辐射传导至待治疗的皮肤的一部分。这种系统的功能受到所选激光器的能力的限制。皮肤缺陷的治疗通常需要一种以上类型的激光器，并且常常将一种以上类型的激光器放置在机柜中。这增加了系统的大小、成本和复杂性。

一些皮肤缺陷的治疗需要显著的激光功率(数十甚至数百MW)，为了防止皮肤损伤，该激光功率是以超短飞秒或皮秒脉冲供应的。这种激光功率难以通过光纤传递，并且关节臂的使用显著地限制了护理人员的自由度。

微芯片激光器是免对准单片固态激光器，其中，有源激光介质与形成激光谐振器的端面反射镜直接接触。在许多情况下，作为电介质涂层的反射镜简单地沉积在有源激光介质的端面上。微芯片激光器通常用激光二极管泵浦，并且通常平均发射几十或几百毫瓦的功率，尽管已经公布了发射10W的微芯片激光器的报告。微芯片激光器的尺寸较小并且支持它们放置在系统中的几乎任何期望的位置。

典型的Q开关微芯片激光器由作为一个元件结合在一起的激光介质和作为被动Q开关的可饱和吸收体组成。微芯片激光器是具有电介质涂覆腔镜的小型线性腔单片固态激光器。典型的腔长度在毫米的数量级。短的腔长度导致极短的腔寿命，以及短得多的Q开关脉冲的可能性。已经证明，Q开关微芯片激光器可以产生比300ps短的输出脉冲，与大的锁模激光器产生大约10KW的峰值功率一样短，类似于商业上可获得的大的Q开关系统产品。

数十年来，已经投入了大量努力来争取产生高能量皮秒激光器。已经开发了许多技术。这些技术通常涉及多级配置，即，(例如nJ或μJ的)低能量皮秒种子激光被馈送到放大级(包括再生放大器或/和多程放大)中。这种多级配置需要复杂的光学布置和复杂的电子同步，进一步增加了系统的复杂性和成本[16，17，18，20，25，28]。

发明内容

公开了一种微芯片激光器以及一种利用具有双程泵浦几何结构的被动Q开关微芯片激光器实施手持件的方法。激光介质和可饱和吸收体中间夹有在泵浦波长下高反射性的电介质涂层，并且采用通过分子间力的光学接触结合。高反射性电介质涂层支持实现双程泵浦，并且避免由未吸收的泵浦激光引起的被动Q开关的不期望的漂白。

微芯片激光器的尺寸支持手持件中的微芯片激光器封装，该手持件可以用于不同应用并且特别是用于皮肤病症治疗。手持件适于施加至皮肤并在皮肤上滑动。手持件可包括扫描系统，该扫描系统被配置为扫描由微芯片激光器发射的穿过皮肤的一部分的激光束。扫描系统可以提供一维(1-D)或二维(2-D)经治疗的皮肤区域范围。支持分离的微点线束图案。微芯片激光器手持件可包含二阶或高阶谐波产生器以产生附加激光波长。

基于微芯片激光器的系统使用紫翠宝石激光器作为泵浦源。紫翠宝石激光器提供了超过1kW的泵浦功率用于更高的脉冲能量产生。高泵浦功率有助于通过使用低初始透射的可饱和吸收体进一步促进的能量存储。已经证明产生了具有约100MW和更高的高峰值功率的皮秒激光脉冲。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其特征，现在参考结合附图进行的以下描述，在附图中，相同的参考符号表示相同的元件：

图1是微芯片激光器的示例；

图2是示出激光介质和微芯片激光器的可饱和吸收体的结合的示例；

图3是支持二次谐波产生(SHG)的微芯片激光器的示例；

图4是支持和频产生(SFG)的微芯片激光器的示例；

图5是支持五次谐波产生(FHG)的微芯片激光器的示例；

图6是用于局部皮肤治疗的手持件的示例；

图7是稀疏局部皮肤治疗图案的示例；

图8是密集局部皮肤治疗图案的示例；以及

图9是用于局部皮肤治疗的手持件的另一个示例。

具体实施方式

本公开建议在手持件中安装被动Q开关微芯片激光器，从而减小整个系统的大小和复杂性并且提高功率利用效率。本公开还建议了一种新型且更稳健的微芯片激光器。Q开关微芯片激光器以数十和数百MW的激光功率发射皮秒脉冲。

被动Q开关微芯片激光器不需要开关电子器件，从而降低了整个系统的大小和复杂度，提高了功率效率。此外，不需要对腔尺寸进行干涉控制，简化了器件的生产并且在其使用过程中大大放宽了温度控制上的容差。结果是具有与耦合腔Q开关微芯片激光器的性能相当的性能的潜在更便宜、更小、更稳健和更可靠的Q开关激光系统。利用这种属性组合，被动Q开关皮秒微芯片激光器对于大范围的应用是有吸引力的，大范围的应用包括高精度测距、机器人视觉、自动化生产、非线性频率产生、环境监测、显微机械加工、美容与显微手术以及电离光谱学以及汽车发动机点火。

微芯片激光器

被动Q开关微芯片激光器已经被广泛研究了几十年。然而，大多数研究报道了产生小于几毫焦耳脉冲能量和小于10MW的峰值功率[1-15，19，21-26，28，29]。具体地，一些微芯片激光器仅能够产生纳秒激光脉冲持续时间[3、4、7、13、23和24]。最近，X.Guo等人证明由Yb：YAG/Cr：YAG微芯片激光器产生12mJ[1]。然而，由于更长的脉冲持续时间(1.8ns)，仅约3.7MW的峰值功率是可实现的。此外，激光器必须在低温条件(即，77K度)下操作，这使得实际应用成问题。据发明人所知，尚未报告直接从被动Q开关微芯片激光器产生大于100MW的亚纳秒激光脉冲。

单程泵浦微芯片激光器具有几个限制。为了确保激光材料中泵浦能量的充分吸收，激光介质必须足够长，然而较长的激光介质将导致较长的发射脉冲持续时间。此外，在一些特定的泵浦波长下，未吸收的泵浦激光可能导致可饱和吸收体的不期望的漂白，从而导致Q开关操作的失败。为了克服这些上述问题，本公开引入了具有双程泵浦的微芯片激光器。双程泵浦还有助于使用由难以掺杂的晶体(即，Nd：YAG)或在可用的泵浦激光波长下具有弱激光介质吸收的晶体产生的激光介质。通过在将两种材料结合在一起以形成微芯片激光器时在激光材料和被动Q开关之间施加高反射性电介质涂层，可以使双程泵浦成为可能。双程泵浦微芯片激光器支持泵浦激光吸收和支持更短的介质长度，从而导致更短的脉冲持续时间以及更紧凑的激光器布局。

本公开描述了用于产生具有超过100MW的高峰值功率的亚纳秒激光脉冲的微芯片激光器。

图1中示出了微芯片激光器100。微芯片激光器100包括激光介质104(例如

微芯片激光器100的输入端124(即，激光材料104的表面)涂覆有在微芯片激光器100波长(例如，1064nm)下的高反射性以及在泵浦波长下的高透射性的电介质涂层。微芯片激光器100的输出端(即，被动Q开关112的表面128)沉积有在微芯片激光器100发射的激光波长下部分反射的电介质涂层。微芯片激光器的输出面的涂层考虑激光介质和可饱和吸收体的折射率，使得当形成单片材料时涂层根据需要起作用。

这两个端(124和128)被布置成平行的并且涂覆有电介质涂层，从而允许发生激光振荡。

扩散结合(diffusion bonding)通常用于将激光材料和被动Q开关元件(即，可饱和吸收体)结合以形成被动Q开关微芯片激光器。该方法通常在升高的压力和温度下完成，所述升高的压力和温度为置于接触材料中的绝对熔融温度的约50-70％。这种涉及升高的温度的制造过程使得难以在两个元件(即，激光介质和被动Q开关)之间沉积任何形式的电介质涂层，特别是在泵浦激光波长下的高反射性涂层。因此，仅可以施加单程泵浦。

在本公开中，如图2所示，通过分子间力(如范德华力、氢键和偶极-偶极相互作用)的光学接触，如箭头204所示实现激光介质104与可饱和吸收体112之间的结合。不需要升高的温度和压力，从而保护反射性电介质涂层108的完整性。

以光学质量对被接触的两个表面(即，激光介质104的208与可饱和吸收体112的212)进行处理以实现稳定的光学接触。在激光介质104和可饱和吸收体112之间的界面处在泵浦波长下的高反射性电介质涂层支持实现双程泵浦，并且避免由未吸收的泵浦激光引起的被动Q开关的不期望的漂白。通常，表面质量可比20-10划痕-麻点(scratch-dig)更好。平坦度和粗糙度可分别为至少λ/4 10A rms或更好。

微芯片激光介质100和可饱和吸收体112可以是Nd掺杂的晶体(即YAG或YLF或陶瓷)。用于激光介质和可饱和吸收体的材料可为相同基质材料或不同材料。这与通过扩散法结合的现有微芯片激光器完全不同，在现有微芯片激光器中，两种部件的材料物理性能(即，熔点、热膨胀系数等)应当相似。

具有双程泵浦的被动Q开关微芯片激光器通过由于所使用的较短激光材料而产生短得多的脉冲来提供超过单程泵浦的优点。这是因为Q开关脉冲持续时间大致与腔长度成比例。此外，对于在泵浦激光波长下具有低掺杂浓度或低吸收的晶体，双程泵浦使得可以获得足够的泵浦激光吸收，同时保持较短的晶体长度，从而导致更紧凑的激光器设计。

该系统使用紫翠宝石激光器作为泵浦源。紫翠宝石激光器可以提供超过1kW的泵浦功率用于更高的脉冲能量产生。高泵浦功率有助于通过使用低初始透射的可饱和吸收体进一步促进的能量存储。已经证明产生具有约100MW和更高的高峰值功率的皮秒激光脉冲。

高能量/高峰值功率超短脉冲微芯片激光器促进高效非线性频率转换，所述高效非线性频率转换包括谐波产生(二次谐波、三次谐波、四次谐波、和频产生、OPO等)和需要高峰值功率的超连续谱产生。与现有的低能量微芯片激光器相比，高能量微芯片激光器可以在频率转换波长下提供更高的能量/功率，因此通过提高信噪比来显著提高测量精度。最重要的是，光学布置是非常紧凑和简单的，并且支持将微芯片激光器安装在受限空间中，例如，安装在手持件中。

图3是支持二次谐波产生的微芯片激光器的示例。为了产生稳定的线性偏振Q开关激光，使用＜110>切割的Cr

图4是支持和频产生(SFG)的微芯片激光器的示例。可发生和频产生(SFG)或差频产生(DFG)，其中两个激光泵浦光束产生具有532nm和1064nm波长的泵浦光束312和320的光频率的和或差的另一光束。例如，使用SFG晶体404将1064nm激光束与532nm倍频激光束的输出混合将产生具有355nmUV光的输出光束408。

图5是支持四次谐波产生(FHG)的微芯片激光器的示例。四次谐波产生是被设计成产生例如266nm或甚至更短的波长的UV辐射的过程。例如，产生波长为1064nm的激光束的Nd：YAG激光器的四次谐波将是波长为266nm的光束。数字502标记了FHG晶体，数字506标记了波长为266nm的输出光束。

这种频率转换过程可以为不同的光谱学应用提供具有足够能量的宽范围的光谱。与现有的低能量微芯片激光器相比，这种高能量微芯片激光器可以在频率转换波长下提供更高的能量/功率，因此通过提高信噪比显著提高了测量精度。该光学布置是非常紧凑和简单的。

所公开的产生皮秒脉冲的高峰值功率微芯片激光器可以用于光谱学领域的许多附加领域中。这些领域包括皮肤治疗、显微机械加工、高效非线性频率转换，高效非线性频率转换包括谐波产生(二次谐波、三次谐波、四次谐波、和频产生、OPO等)和需要高峰值功率的超连续谱产生。这样的频率转换过程可以为光谱学应用提供具有能量的宽范围的光谱。

手持件

所公开的产生皮秒激光脉冲的高峰值功率微芯片激光器的潜在和有前景的应用之一将是在美容和医疗激光系统中。高能量短脉冲微芯片激光器支持将微芯片激光器封装在手持件中以执行有意义的美学治疗，尤其是局部皮肤年轻化。临床上已经证明，对于具有4mJ/激光束的几百皮秒的激光脉冲，足以通过激光诱导光学击穿(LIOB)或黑色素辅助光学击穿引起组织或皮肤微损伤。由此类微损伤刺激的后续胶原重塑将使得皮肤年轻化。当前的微芯片激光器能够产生波长为1064nm的超过40mJ 300ps的激光脉冲。因此，来自微芯片激光器的输出能量可被分成例如10个微光束，尽管其他数量的微光束也是可能的。每个微光束将具有超过4mJ，这对于有效的皮肤治疗是足够的。每个微光束可以通过光学聚焦以产生10个微点。

皮肤治疗通常需要照射二维皮肤区域。存在实现二维微光束图案的多种方法，例如，将微芯片激光束分成微光束的一维阵列并在皮肤上手动滑动微光束的一维阵列。另一种方法是使用扫描系统在一个或两个方向/轴线上扫描微光束阵列。微光束或局部光束与扫描反射镜或其他扫描装置的使用支持局部皮肤治疗。

图6是用于局部皮肤治疗的手持件的示例。例如，激发紫翠宝石激光器可位于机柜中，且如同一受让人和发明人的以及全部并入本文的美国专利No.9,722,392中所公开的，由箭头606示意性示出的紫翠宝石泵浦激光束可以通过光纤连接被传导至位于手持件主体604中的种子微芯片激光器610，该手持件主体604被配置为被施加至皮肤。手持件主体604可以包括与上述微芯片激光器相同的高能量种子微芯片激光器610以及扫描反射镜614或多边形旋转器或其他激光束扫描装置的单元，该单元支持激光束120在一个或两个方向或轴线(X，Y)上扫描。这将有助于局部皮肤治疗的实现。种子微芯片激光器610和扫描反射镜614的整个系统可以足够小以封装到手持件604中。这种手持件可产生皮秒激光，从而允许用于皮肤年轻化的局部治疗。

可选的二次或高次谐波产生器304可位于手持件主体604中。微芯片激光器610发射波长为1064nm的光束。当需要附加的1064nm波长时，二次谐波产生器304可被引入到微芯片激光束路径中以产生附加的激光波长。通常，其他波长频率倍增器件可布置在转台上并在需要时使用。

对于皮肤治疗，如图7中所示的，护理人员或用户可以用一维(1-D)分束器(例如，全息1-D分束器或扫描仪)来在经治疗的皮肤区域上手动地滑动手持件604，从而形成分离扫描系统。在滑动移动的过程中，微芯片种子激光器610产生皮秒激光脉冲，从而形成1-D分离微点704线。

如箭头708所示，手持件在垂直于1-D分离微点线的方向上的手动移动产生2-D局部的光束图案712。可以通过改变1-D线中的分离微点704的数目和手持件604的移动速度来改变局部经治疗的皮肤区域范围。图7是1-D线中相对稀疏的定位的分离微点704的示例。手持件604移动速度708高于(图8)相同手持件的移动速度808。因此，产生了分离微点704的更密集的2-D图案812。

在图9中所示出的另一个示例中，示出了用于局部皮肤治疗的手持件。通过将激光束120投射或扫描到透镜阵列912上的一对检流计反射镜(galvanometer mirrors)904和908的组合来生产分离光束图案。透镜阵列912将激光束120分成多个微光束916，这些微光束916也可以是分离微光束。反射镜920可用于分离由可位于谐波产生器中的二次或高次谐波产生器304产生的附加波长。反射镜920的涂层根据期望的波长分离而形成。未转化的红外光120可以被引导并在激光束流收集器924中被吸收，而谐波可以被递送到包含皮肤病的组合的经治疗的皮肤部分。激光束流收集器924可以被设计成有效地耗散未转化的红外能量，而不会被损伤或导致其他手持件900部件的温度升高。被动和主动冷却机构可根据需要用于从激光束流收集器924移除热量。

以下示例提供了用于皮肤病治疗的典型手持件的一些操作参数。种子激光器610的能量可以是40mJ或更多。系统被设计成使得每个微光束的能量在1064nm下高达4mJ并且在532nm下高达2mJ。

这种种子激光器能量足够高，使得来自种子激光器的每个激光束都可以覆盖至少9个小透镜以产生9个微点。检流计反射镜对904和908扫描激光束九次以形成2-D图案并且覆盖至少81个小透镜。假设微芯片激光器以20Hz的频率工作，则每次扫描将花费0.45秒(9/20)或者治疗可以被操作高达2.2Hz。

本领域技术人员将理解的是，本公开不限于在上文中具体示出和描述的内容。而是，微芯片激光器和手持件的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合以及本领域技术人员在阅读前述描述时将想到的且不在现有技术中的其修改和变型。

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