准连续掺铥光纤激光器的研制及其碎石应用研究.pdf

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1、先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室阮双琛教授 深圳技术大学创校校长欧阳德钦深圳技术大学副教授邮箱： 2024年9月12日2报告提纲研究背景1掺铥光纤激光波长扩展4准连续掺铥光纤激光器研发2掺铥光纤激光碎石应用研究3先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室31研究背景透明聚合物材料的光选择性吸收特性水分子吸收峰，提高医疗手术安全性1.透明材料吸收率高2.水分子吸收峰3.CO2、N2、CH4以及 CO 等气体分子的吸收线4.大气窗口5.中红外激光泵浦源6.全波通信0.8 m-2.2 m 大气透射光谱图2.0m波段激光的优势先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室4工业应用1研究背景在无

2、吸收剂透明聚合物焊接中，传统波长激光可能无法满足特殊加工要求，需要向材料高吸收波长处拓展！透明脆性材料医疗塑料制品微流控芯片先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室5医疗应用1研究背景中红外水吸收系数曲线人体激光治疗手术分布情况，对于泌尿系疾病可用于前列腺汽化切除术、膀胱颈切开术、狭窄口张开、膀胱肿瘤的汽化和切除、肾部分切除术、碎石术等先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室62 m波段激光具有高水吸收特性，适用于微创手术，如软组织切割、激光碎石。激光碎石的示意图1研究背景先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室7 碎石应用中，激光以准连续模式(QCW)运行CW与QCW激光的时域特点QC

3、W模式下的激光设置QCW激光也是一种脉冲激光，故平均功率、重复频率、脉宽、脉冲能量、峰值功率为其典型特征。1研究背景先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室8 QCW的掺铥光纤激光器(TDFL)也适用于激光碎石全光纤化结构更接近水的吸收峰脉冲参数多样化TDFL与Ho:YAG激光的水吸收Ho:YAG激光器示意图TDFL激光器示意图1研究背景先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室9 研究历程2005首次尝试TDFL2010开始对比铥钬激光20162018分析TDFL与结石的作用细节20202021总结碎石机制，TDFL备受关注20232024对比各类激光TimePowerPeak power

4、2005QCW 50 W2009QCW 70 W2016QCW 500 W2020QCW 564 W20232024QCW 1800W 局限激光器的峰值功率可进一步提升更高峰值功率的碎石状况尚不可知国内临床研究数据较少1研究背景先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室10报告提纲研究背景1掺铥光纤激光波长扩展4准连续掺铥光纤激光器研发2掺铥光纤激光碎石应用研究3先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室11准连续掺铥光纤激光光源研发2单端泵浦掺铥光纤振荡器光路示意图2.1 直线腔振荡结构先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室12准连续掺铥光纤激光光源研发功率光谱特性2先进光学精密制造技术

5、广东普通高校重点实验室平均功率70 W、峰值功率700W13准连续掺铥光纤激光光源研发主振荡结构掺铥光纤激光器输出脉冲特性2先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室14准连续掺铥光纤激光光源研发2.2 主振荡功率放大（MOPA）结构MOPA结构掺铥光纤激光器光路示意图2先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室15准连续掺铥光纤激光光源研发功率光谱和脉冲特性2先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室平均功率70 W、峰值功率700W16功率扩展：连续功率200 W，峰值功率1800 W准连续掺铥光纤激光光源研发2双端泵浦掺铥光纤振荡器光路示意图先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室17

6、功率扩展：连续功率200 W，峰值功率1800 W准连续掺铥光纤激光光源研发2输出功率特性先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室18主要技术指标（1）输出功率：150W；（2）中心波长：1900-2050nm可选择；（3）光谱宽度：2nm；（4）光束质量：M21.3；（5）功率稳定性（24h）：1800W连续/准连续掺铥光纤激光器样机2准连续掺铥光纤激光光源研发先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室19报告提纲研究背景1掺铥光纤激光波长扩展4准连续掺铥光纤激光器研发2掺铥光纤激光碎石应用研究3先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室20准连续掺铥光纤激光碎石应用研究体外碎石模拟装置两

7、种结石样貌：(a)UA结石;(b)COM结石3.1 基于QCW掺铥光纤激光器的碎石效率研究3先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室21准连续掺铥光纤激光碎石应用研究3先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室铥激光脉冲与结石相互作用的过程22准连续掺铥光纤激光碎石应用研究结石的样貌以及激光照射后的结石粉末3结石样貌及激光照射后的结石粉末先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室23准连续掺铥光纤激光碎石应用研究激光照射后的结石表面形貌3(a)COM结石表面(b)UA结石内部(c)UA结石表面结石表面的消融痕迹先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室24准连续掺铥光纤激光碎石应用研究高速摄

8、像机以 62.5 s 的间隔拍摄画面，在脉冲持续时间为 1429 s 的单个 TFL 脉冲期间形成的气泡通道单个脉冲期间激光与水和石头相互作用的完整过程3先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室25准连续掺铥光纤激光碎石应用研究YearsLaser typePeak Power(W)Pulse Energy(J)Pulse Width(s)PRR(Hz)AveragePower(W)Ablation Rate(mg/s)UACOM2019Ho:YAG-0.411008032-0.7TDFL4000.410008032-1.32020 Ho:YAG88000.614150301.2-TDFL5

9、000.6120050303.0-0.240050101.3-Our work(2023)TDFL7000.457175304.85.17000.685750305.347001142930305.23.67002285715304.84.5700685715308.97.5Our work(2024.1)TDFL9600.662550305.8-169.62.61.6激光参数与石块的消融速率，与早期的研究进行对比基于掺铥光纤激光器的体外碎石实验探究.中国激光,2022,49(1):0101015Realizing enhanced lithotripsy efficiency using 7

10、00 W peak power thulium-doped fiber laser.Optics and Laser Technology,2024,179,1112673先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室26准连续掺铥光纤激光碎石应用研究3.3 激光碎石中的温升研究温度测量装置示意图连续模式下温度变化与输出功率的关系结石晃动3先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室27准连续掺铥光纤激光碎石应用研究QCW模式的温升激光辐射(无结石)激光辐射(有结石)3先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室28准连续掺铥光纤激光碎石应用研究2 min内温度的变化2 min内温度的空间分布3先进光

11、学精密制造技术广东普通高校重点实验室29报告提纲研究背景1掺铥光纤激光波长扩展4准连续掺铥光纤激光器研发2掺铥光纤激光碎石应用研究3先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室30指标项目预期已实现中心波长1900-2000nm1970nm平均功率100W100.7W重复频率100MHz77.07MHz脉冲宽度100ps105.6ps稳定性3%3%High-power long-picosecond pulse fiber laser at 2 m with a narrow spectral width.Infrared Physics&Technology 136(2024)105080.4

12、先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室4.1 百瓦皮秒掺铥光纤激光光源研发掺铥光纤激光波长扩展314激光器参数中心波长：1970 nm3dB 线宽：0.2 nm脉冲宽度：47.2 ps重复频率：470 MHz输出功率：211 W光束质量：M2300mW；（2）中心波长：1900-2050nm；（3）15dB光谱宽度：100nm；（4）功率稳定性（24h）：3%。掺铥/钬光纤超荧光光源4先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室掺铥光纤激光波长扩展35级联拉曼光纤激光器示意图4.3 2.1-2.5m中红外波段拉曼光纤激光器掺铥光纤激光波长扩展4先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室36（

13、a）150ns DSR光谱随输出功率的变化。（b）放大后DSR单脉冲形状演变。（c）基频的RF频谱位于1.24MHz。（d）在100MHz带宽内的RF频谱。（e）DSR脉冲输出功率与泵浦功率的关系。第三级放大系统后DSR脉冲的输出特性：掺铥光纤激光波长扩展4先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室372.135m 一阶拉曼激光输出：光谱纯度为 73.4%，最大净输出功率16.3W。（a）一阶拉曼输出光谱演变（b）一阶拉曼输出功率掺铥光纤激光波长扩展4先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室382.35m 的二阶拉曼激光输出：光谱纯度为 66%，最大输出净功率5.4W。在 UHNA7 光纤后

14、面级联10m 98%锗芯石英包层光纤（GCF）作为二阶拉曼增益光纤（a）光谱变化掺铥光纤激光波长扩展4A 5.4 W 2.35 m Cascaded Raman Fiber Laser Pumped by DSR Pulses.Optics Express,2024,32(11),18539-18549.（b）输出功率（c）不同脉宽光谱变化先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室39掺铥光纤激光波长扩展42.408m 的二阶拉曼激光输出：最大输出净功率2.36W。High-power pulsed Raman fiber laser with wavelength over 2.4 m,submit to Optics and Laser Technology,2024.先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室40请各位专家批评指正先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室