专利名称：低功率携便式激光仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种激光装置，确切说是一种用于动物实验研究的低功率携便式激光仪。
人口剧增已成为严重的社会问题，要做到合理地控制人口增长，必须为育龄人群提供适宜、多样、可供选择的避孕方法。虽然输精管节育术已广泛应用，但由于需开放手术进行，并存在有一定的手术并发症以及不易修复再通等实际问题，因此男性节育率不高。我国育龄人口总数已达6.9亿，研究新的避孕方法是社会的需求。近年来随着激光医学和可进入腔体内光纤的出现，为激光节育术的研究发展提供了条件。激光节育与传统绝育(输精管结扎和输卵管结扎术)相比除了具有操作简便，没有手术切口，男性可经皮穿刺输精管激光绝育，女性可经宫腔镜输卵管激光绝育，可大大减少各种手术并发症等优点外，还必须节育后能修复再通，易于育龄人群所接受。这种节育方法，能否应用于临床，要以可靠的前期动物实验研究为前提。
本实用新型的目的在于为动物输精管凝堵与修复再通术的研究，提供一种结构紧凑，体积小重量轻，便于携带，操作简便，使用安全可靠的低功率携便式激光装置。
本实用新型的目的是通过实施如下技术方案来实现的一种低功率携便式激光装置，由手携式机壳、装在机壳内底部的冷却水箱、装于壳体中层水箱上面器件箱架中的激光器及光纤耦合系统，装于壳体上层激光器件箱架上面电器箱中的电源以及机壳面板上装置的指示操作开关、显示窗等部分构成；装在激光器件箱架中包括有激光器及光纤耦合系统，箱中全部组件由光纤、光纤耦合器、透镜、激光传感器、半反射平面镜、聚光腔、聚光腔内的氪弧灯和激光棒、聚光腔外后部的全反射平面镜、半导体指引光发生器，依序排列固定在座架上；靠近光纤端的激光器件箱端部开有光纤引出孔；底层水箱端面开有进水与出水口，通过管路连接聚光腔冷却系统；电器箱中的电源包括有使氪弧灯点燃、预电离及弧光放电的触发电路、辅助高压电路、斩波开关降压主电路及控制氪弧灯放电稳定的控制电路。激光棒是产生激光的核心，采用目前最具有实用价值的掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体园柱棒。氪弧灯泵浦源的作用是将电能有效地转换成辐射能，具有与Nd:YAG激光工作物质吸收带相匹配的辐射光谱分布，为Nd:YAG中粒子数反转提供光能。Nd:YAG激光棒和氪弧灯泵浦源均安装在聚光腔内，其作用是能将氪弧灯辐射的光能有效、均匀地会聚至激光棒上，以获得高的泵浦效率，由于它决定着激光棒上泵浦光的密度分布，影响输出光束的均匀性、发散性和光学畸变，因此本装置采用侧面泵浦系统设计，使照射激光棒的氪弧灯泵浦光与发射的激光束相垂直，采用的聚光腔是一种内表面具有高反射率的椭园柱体，将激光棒和氪弧灯分别安装在椭园柱的两条焦线上，使椭园型聚光腔中能量的传递是从一条焦线上的泵浦氪弧灯光源传输到另一条焦线上的Nd:YAG棒吸收体上。由于输入泵浦氪弧灯的能量只有很小部分作为激光输出，其余的绝大部分能量都转化为热及辐射，因此，为防止聚光腔及其内部的氪弧灯和激光棒温升过高，必须安装冷却系统，本装置中采用聚光腔外表面水冷却和腔内激光棒与氪弧灯分离水冷却的方式，保证装置激光输出的正常运行。光学谐振腔是本装置的重要组成部分。它是由激光器中相对放置的半反射平面镜与全反射平面镜构成，作用是有效地控制腔内光场分布、形成放大与振荡，由于不同类型的腔型结构对激光输出特性如功率、模式、光束发散角有直接影响，本装置选用具有稳定性好的平行平面腔型，全反射镜和半反射镜表面镀有介质膜，受激光辐射通过反馈在腔内形成放大与振荡，并由半反射镜输出。光纤耦合系统由置于半反射镜前的透镜、光纤耦合器及引出光纤组成，作用是由半反镜输出的受激光辐射经透镜聚焦至光纤耦合器输入口，再经耦合会聚引入光纤内，达到高效输出的目的。激光电源的作用是触发与点燃氪弧灯产生弧光电放、照射与激发Nd:YAG棒产生激光发射，由于氪弧灯的点燃过程是先加触发高压，使灯内形成火花放电，灯两端再加上比正常工作电压稍高的辅助高压，帮助火花丝迅速发展成充满灯管的电弧，而后加上工作电压使氪弧灯连续点燃，因此，其电源包括有触发电路、辅助高压电路、主电路和控制电路。主电路是直接供给氪孤灯放电的电路，为低电压大电流连续供电，要求输入灯的电流恒定，保证激光输出功率稳定。本装置采用斩波式降压开关电路，电网电压经整流滤波产生Udc伏直流电压给斩波回路供电。斩波电路主要由开关元件Q组成，控制Q的开通与关断便将直流电压Udc变换成20-100KHz的方波脉冲，通过改变此方波脉冲的占空比t/T，就可得到不同的平均电压，在斩波电路后接有LC组成的平滑滤波器，可在输出端上得到与方波平均电压相等的直流输出。这种电源具有整体体积小，电路效率高、纹波小等优点。辅助高压电路又称预电离电路，是为与连续氪弧灯的实际工作电压相匹配，改善电源系统效率而设置。电源主电路输出电压通常较低，在触发高压使氪弧灯触发电离起辉后，还不能使灯转入大电流弧光放电状态，必须经辅助高压，帮助完成放电状态的转换，使灯进入弧光放电状态，主电路放电随之得以进行。触发电路用以使氪弧灯点火，使灯管内气体开始电离形成狭窄的花火丝放电通道。控制电路的工作原理是由脉冲脉宽调制器提供一个固定频率的激励源，通过调节其导通时间改变占空比t/T来控制斩波电路输出不同的平均电压。调节脉冲脉宽调制器的导通时间，可通过两种方式进行其一是设定工作时间，即控制脉冲脉宽调制器的运行时间；其二是通过装在激光器光学谐振腔前的激光传感器接收到的激光信号，经放大输出与设定的激光功率在比较器中进行比较后，输出大于或小于的信号来自动调节脉冲脉宽调制器的导通时间，使氪弧灯获得一个恒定的工作电流，输出稳定的激光功率。时间控制器是实现控制脉冲脉宽调制器运行、实现氪弧灯获得恒定工作电流、Nd:YAG激光棒输出稳定激光功率的关键部件，它由4个计数器，2个译码器及相关数码显示器，1个时间脉冲产生器，或非门反相器，微分电路及轻触开关组成，其结构为2个cd4510十进位计数器并联，再与并联的两组(S1、S3)与(S2、S4)轻触联动开关串联组成一个定时器；2个d4510十进位计数器并联组成一个计时器；定时器串联计时器后再串联cd4511译码器及相应的数码显示器而组成显示实时时间的监视器；带有RC振荡回路的时间脉冲产生器cd4060串联两个并联的(S1,S3)与(S2,S4)轻触开关，其RST复位脚连接计时器U/D脚接地；在计时器的输出端，两个CO脚连接或非门cd4001，后者输出端串接反相器cd4069；在监视器的RST脚装置微分电路，即构成本装置的时间控制器。时间控制器工作原理是预置开关(S1、S3)闭合，定时器预置计数，计时器跟随计时，显示器显示时间数码；预置开关(S2、S4)闭合，定时器减小预置计数，计时器及显示器均减小显示时间数码。本发明的基本特征在于具有通过时间控制器(图5)控制脉冲脉宽调制器TL494导通时间的电路(图6)，以及通过装置在光学谐振腔前的激光传感器接收到的激光信号，经功率放大输出与设定的激光功率在比较器中比较，输出大于或小于的信号自动调节脉冲脉宽调制器导通时间(图6)，使斩波电路(图4)有稳定电压输出的控制电路。
本实用新型的优点在于，装置总体结构紧凑，体积小，重量轻，便于携带，激光束由光纤耦合器耦合至光纤，做动物(家兔等)腔内激光输精管凝堵或修复，所需功率及照射时间等医用技术参数本装置完全能够满足。
本实用新型有如下附图
图1为本实用新型激光器装置结构示意图图2为本实用新型激光电源及控制组成框图图3为本实用新型控制电路原理框图图4为电源主电路、辅助高压及触发电路原理图图5为时间控制器电路原理图图6为实测与设定激光功率比较自动调节脉冲脉宽调制器导通时间电路原理图图7为本实用新型立体结构示意图图8为本实用新型机壳面板结构图图中标记1为光纤，2为光纤耦合器，3为透镜，4为激光传感器，5为半反射平面镜，6为聚光腔，7为氪弧灯，8为Nd:YAG激光棒，9为全反射平面镜，10为半导体指引光，11为水箱，12为进水口，13为出水口，14为激光器件箱架，15为电器箱，16为光纤引出孔。
以下结合附图实施例对本实用新型结构进一步说明如下激光工作物质8采用Nd:YAG晶体园柱棒，棒直径φ6mm，长度100mm；氪弧灯7长230mm，极距90mm，灯外径φ7mm，灯内径φ6mm，充气压3.5Pa，工作电流20A，工作电压220伏，输入功率4KW，辐射效率2.5％，冷却水流量6升/分；椭园柱聚光腔6椭园截面长轴2a=19mm，短轴2b=14mm，灯与棒间距(焦点间距)2c=16mm，偏心率e=c/a=0.84，聚光腔6用铜材制作，长300mm，内表面抛光后镀金，确保有高反射率的镜面；采用水冷，聚光腔外表面、激光棒和氪弧灯均套装冷水管，与装在机壳底部的水箱形成冷却环循；透镜至半反射镜间距10mm，透镜至光纤耦合器距30mm，光纤耦合器长25mm；全反射平面镜紧贴聚光腔；电源系统中时间控制器(图5)是由4个cd4510十进位计数器、2个cd4511译码器及其相应的数码显示器、1个时间脉冲产生器、或非门反相器、微分电路及轻触开关组成，其结构为2个cd4510计数器并联，再与并联的两组轻触联动开关串联组成一个定时器；另2个cd4510计数器并联组成一个计时器；定时器串联计时器后再串联cd4511译码器及相应的数码显示器组成显示实时时间的监视器；带有RC振荡回路的时间脉冲产生器cd4060串联两个并联的轻触联动开关，其RST复位脚连接计时器U/D脚接地；在计时器的输出端，两个CO脚连接或非门cd4001，后者输出端串接反相器cd4069；在监视器的RST脚装置微分电路。设置与实测激光功率比较控制脉冲脉宽调制器的控制电路，由时间控制器及与其连接的比较器cd4585，激光传感器Wg串接LM324二级功率放大电路其输出经显示模块输入比较器cd4585，后者输出端连接数字电位器模块再连接TL494脉冲脉宽调节器而构成。图5中(S1、S3)(S2、S4)为联动开关、十字符开关闭合增加工作时间，一字符表开关闭合减少工作时间，C为时间脉冲输出端。图6中脉冲脉宽调制器为TL494，比较器为Cd4585，时间脉冲产生器为cd4060，定时器为cd4510，译码器为cd4511，Wg为激光传感器，RW2数字电信器模块，RW1与RW3为电位器。
权利要求1.一种低功率携便式激光装置，由手携式机壳、装于机壳内底部的冷却水箱、装于壳体中层水箱上面激光器件箱架中的激光器及光纤耦合系统、装于壳体上层激光器件箱架之面电器箱中的电源、以及机壳面板上装置的指示操作开关，显示窗等部分构成；激光器件箱架中包括有激光器及光纤耦合系统，箱中全部组件由光纤、光纤耦合器、透镜、半反射平面镜、聚光腔、聚光腔内的氪弧灯和激光棒、聚光腔外后部的全反射平面镜，半导体指引光、依序排列固定在座架上；靠近光纤端的激光器件箱端部开有光纤引出孔，底层水箱端面开有进水与出水口，通过管路连接聚光腔冷却系统；电器箱中的电源包括有使氪弧灯点燃，预电离及弧光放电的触发电路、辅助高压电路、斩波开关降压主电路及控制氪孤灯放电稳定的控制电路，其特征在于控制氪弧灯稳定放电获得稳定激光功率输出的控制电路，为具有通过时间控制器控制脉冲脉宽调制器导通时间的电路，以及通过装置在由全反射平面镜与半反射平面镜构成的激光器光学谐振腔前的激光传感器接收到的激光信号，经功率放大电路放大输出与在定时器中设定的激光功率在比较器中比较，输出的大于或小于信号自动调节脉冲脉宽调制器导通时间而使斩波电路有稳定电压输出的控制电路。
2.按照权利要求1所述的低功率携便式激光装置，其特征在于时间控制器是由4个cd4510十进位计数器、2个cd4511译码器及其相应的数码显示器、1个时间脉冲产生器、或非门反相器、微分电路及轻触开关组成，其结构为2个cd4510计数器并联，再与并联的两组轻触联动开关串联组成一个定时器；另2个cd4510计数器并联组成一个计时器；定时器串联计时器后再串联cd4511译码器及相应的数码显示器组成显示实时时间的监视器；带有RC振荡回路的时间脉冲产生器cd4060串联两个并联的轻触联动开关，其RST复位脚连接计时器U/D脚接地；在计时器的输出端，两个CO脚连接或非门cd4001，后者输出端串接反相器cd4069；在监视器的RST脚装置微分电路。
3.按照权利要求2所述的低功率携便式激光装置，其特征在于设置与实测激光功率比较控制脉冲脉宽调制器的控制电路，由时间控制器及与其连接的比较器cd4585，激光传感器Wg串接LM324二级功率放大电路其输出经显示模块输入比较器cd4585，后者输出端连接数字电位器模块再连接TL494脉冲脉宽调节器而构成。
专利摘要近年来激光医学与可进入腔体内光纤的出现,为激光节育术的研究提供了条件。非手术可修复性男性激光节育术的临床应用,有待于成功的动物学实验。本装置为动物输精管激光凝堵与修复再通实验研究提供了技术保证,该装置内Nd:YAG激光器及光纤耦合系统组成,基本特征在于通过时间控制器及通过预置与实测激光功率比较调节脉冲脉宽调制器导通时间,使斩波电路有稳定电压,保证发射激光功率的稳定,装置结构紧凑,体积小重量轻,便于携带,操作简单便,工作安全可靠。
文档编号A61F6/00GK2425628SQ0022327
公开日2001年4月4日 申请日期2000年6月15日 优先权日2000年6月15日
发明者肖新民, 赵启华, 曹良奎, 杜向东, 王圣诺, 谢国太, 金国辉, 赵福胜 申请人:中国人民解放军第四五二医院