专利名称：冲击波聚焦装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及工程物理，特别涉及在透明介质中获得聚焦冲击波的装置。本发明能应用于机器制造业、仪表制造业、化学工艺及其它一些部门中，用来在预定目标上形成局部应力。本发明主要应用于医学中，用来进行诊断和用于体外碎石术。
聚焦冲击波对目标上的预定点的作用效果与许多因素有关，例如冲击波波幅、聚焦点的形状、激光动力特性、其中包括冲击波的聚焦准确度，而后者在很大程度上又取决于给定装置所采用的光学系统。特别是，用来保证冲击波聚焦的光学系统越复杂，即光学系统所包含的彼此独立的光学元件越多，装置的操作及其调整通常也就越复杂，因为各光学元件之间的任何相互移动，都将导致装置的散焦，从而使冲击波不能聚焦在指定点上。
已知的冲击波聚焦装置包括设置在液体中的形成球面冲击波的器件-火花放电器和呈被截开的椭球面形状的用来使球面冲击波聚焦的器件，而且火花放电器安装在椭球面的第一焦点上(DE，A，3210919)。
在装置的工作过程中，由椭球面的第一焦点(火花放电器的安装位置)上的火花放电器在液体中形成的球面冲击波从椭球形表面上反射后，将聚焦在椭球形表面的第二焦点上。但是，由于冲击波的形成及其聚焦是由分开设置在空间的两个互相独立的元件实现的，所以上述装置中的光学系统相当复杂，相应地装置的操作和调整方法也复杂。特别是由于上述装置采用具有给定的两个固定焦点的椭球面形反射器，在其中的一个焦点上形成球面冲击波，而该球面冲击波聚焦在另一个焦点上，这就必须保证火花放电器的位置要极其准确地与椭球面的焦点之一相重合。但在装置的工作过程中，火花放电器的电极会很快燃烧，导致火花放电器相对于椭球面焦点产生移动，从而导致所形成的初始冲击波形状变形，使冲击波不能聚焦在指定点上。
此外，特别是在医学上使用上述装置的情况下，利用火花放电器作为产生冲击波的器件是不适宜的，因为火花放电器是给操作人员和病人增加危险的根源。
还有一种已知的冲击波聚焦装置，它包括脉冲激光器、盛有对激光辐射透明的介质的箱-盛有液体的槽以及设置在液槽中的用来使激光辐射聚焦和使球面冲击波聚焦的器件(PCT/DE 85/03631)。上述器件由分开设置在空间的两个彼此独立的元件构成，例如使激光辐射聚焦用的抛物柱面镜和其表面用来使球面冲击波聚焦的被截开的椭球面。而且抛物柱面镜的焦点应与被截开的椭球面的焦点之一相重合。
也可以利用菲涅耳透镜或几个透镜的组合来聚焦激光辐射。
该装置与前面所述的设计不同，它是靠介质的光学击穿来产生球面冲击波的，这种光学击穿发生在与椭球面的焦点之一相重合的激光辐射的聚焦点上。
实现球面冲击波聚焦的方法与前一种装置相同，也是由于球面冲击波从椭球面上反射而聚焦在其焦点上的。也就是说，在该装置中保证使产生球面冲击波的激光辐射聚焦以及使球面冲击波聚焦，也是由分开设置在空间的两个彼此独立的元件实现的，因此该装置的光学系统也相当复杂。正像前面所指出的，光学系统的复杂性决定了装置的操作和调整的复杂性，因为保证激光辐射聚焦和球面冲击波聚焦用的彼此独立的各元件只要发生任意微小移动，都会导致装置的散焦，从而使冲击波不能聚焦在目标的指定点上。
此外，因为与椭球面焦点之一相重合的冲击波聚焦点位于激光辐射区，所以当该装置被用于医学上时，激光辐射有可能对病人产生不良影响。这时将病人同激光辐射屏蔽开而不显著损失冲击波能量是不可能实现的。
本发明的任务是制造这样一种冲击波聚焦装置，该装置中用来保证使产生球面冲击波的激光辐射聚焦的器件和使球面冲击波本身聚焦的器件是这样制成的，即由同一个元件来保证激光辐射聚焦和球面冲击波聚焦，从而简化了装置的光学系统，简化了其操作和调整方法，因而也就提高了冲击波聚焦的准确性。
完成所提出的任务方法是冲击波聚焦装置包括脉冲激光器、盛有对激光辐射透明的介质的箱以及用来使激光辐射聚焦和使球面冲击波聚焦的器件，该器件具有能使球面冲击波聚焦的表面。根据本发明，用于激光辐射聚焦和球面冲击波聚焦的器件是由对激光辐射透明的材料制成的凹凸镜片，该镜片表面具有不同的曲率值，而且使球面冲击波聚焦的表面呈凹面状。
在所推荐的装置中，激光辐射的聚焦由利用对激光辐射透明的材料制成的凹凸镜片来实现，而球面冲击波的聚焦则由该镜片的凹形表面来实现，也就是说，激光辐射的聚焦和球面冲击波的聚焦是由同一个元件实现的。
因此，本装置的光学系统将比按照PCT/DE 85/03631制成的装置简单，而且减小了装置散焦的可能性，从而简化了其操作和调整方法。
发明人发现，为了保证激光辐射和冲击波同时聚焦，镜片表面必须具有不同的曲率值，而且镜片表面曲率值之间的关系决定着激光辐射的聚焦点和冲击波的聚焦点之间的相互位置。
因此在本装置中，可以利用一套能互相替换的其表面曲率关系不同的镜片来改变激光辐射聚焦点和冲击波聚焦点的相互位置，从而使得装置的操作方法更加简化。
装置的制作方案可以这样镜片的凹表面对着激光器，而其凸表面上有反射激光辐射的镀层。
在装置的这一方案中，由镜片的凸形反射表面使激光辐射聚焦，而球面冲击波则由镜片的凹表面聚焦，而且球面冲击波的聚焦点将位于激光器和镜片之间。
装置的另一种制作方案可以这样镜片的凸表面对着激光器。
而且激光辐射的聚焦由透镜(即由镜片的两个表面-凸表面和凹表面及两表面间的介质)实现，而球面冲击波的聚焦则由镜片的凹表面实现。
球面冲击波的聚焦点相对于激光器将位于镜片的另一侧。
冲击波聚焦装置的这两种所推荐的制作方案，从所完成的任务的观点看，也就是从用同一个光学元件来保证激光辐射聚焦和球面冲击波聚焦的观点来看，是等效方案。装置的上述两种制作方案的区别在于两种装置在工作过程中，球面冲击波的聚焦点相对于激光器和镜片的位置不同，与此相关，这两种装置可应用于不同的领域。
在所推荐的装置的任意一种制作方案中，凸表面和凹表面的主光轴可以相交成一定角度。
在镜片两表面各自的主光轴如上所述配置的情况下，冲击波的聚焦点将位于激光辐射区的外面，並且可以很容易地屏蔽激光辐射而实际上又不损失冲击波能量。
按照这一方案制作的冲击波聚焦装置主要用于医学中。
在随后的分析中将参照附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，进一步弄清上述优点及本发明的特征。
图1为冲击波聚焦装置的略图，其制作方案是镜片的凸表面上有反射激光辐射的镀层。
图2为图1所示装置的略图，在该装置中镜片两表面各自的主光轴相交成一定角度。
图3为按另一方案制作的冲击波聚焦装置的略图。
根据本发明，冲击波聚焦装置包括脉冲激光器1(图1、2、3)、盛有对激光辐射透明的介质的箱2以及设置在箱2中的使激光辐射聚焦和使球面冲击波聚焦用的器件3。
箱2可以是例如充满对激光辐射透明的液体或气体的槽。使激光辐射聚焦和使球面冲击波聚焦用的器件3作成凹凸镜片的形式，该镜片有凹表面4和凸表面5，且这两个表面有不同的曲率值。镜片3是用对激光辐射透明的材料制成的。
凹表面4是使球面冲击波聚焦的表面。对激光辐射来说，镜片3的焦点O1(图1、2、3)位于凹表面4的前面。表面4和5被作成例如球面形。上述表面4、5也可以作成另外的曲面形状，例如椭球面，但表面4和5呈球面形状则更合乎工艺要求。根据图1所示的推荐装置的第一种实施方案，凹表面4对着激光器1，而凸表面5上带有反射激光辐射的镀层，例如带有银层。激光辐射的聚焦点O1位于激光器1和凹表面4之间。球面冲击波的聚焦点O2位于激光器1和镜片3之间，而且镜片3的凹表面4到球面冲击波的聚焦点O2的距离d与镜片3的表面4和5的曲率大小之比有关。在镜片3的表面4、5呈球面形状的情况下，上述距离d可由下式计算d= (γ2R1R2)/(2［R1-R2+(1-γ)2L］) (1)式中R1-凸表面5的曲率半径，单位为米。
R2-凹表面4的曲率半径，单位为米。
γ＝n1/n2n1和n2-分别为透明介质和制作镜片3的材料的折射率。
L-镜片3的中心厚度，单位为米。
d-从镜片3的凹表面4到冲击波的聚焦点O2的距离，单位为米。
条件式(1)是根据射线在球形表面上折射和反射情况下阿贝不变式关系(Г.С.laHgcdeP2著“光学(Onmuka)”1976，科学出版社(莫斯科)，第926页)，並考虑到镜片3的材料折射率n2和在其中形成冲击波的透明介质的折射率n1之差求得的。
当表面4和5呈非球面形，但近似于球面形时，上面的条件式(1)将是正确的，这时R1和R2应分别理解为表面5和4的平均曲率值。当表面4和5呈其它几何形状时，例如椭球面形状，则从凹表面4到冲击波的聚焦点O2的距离d可以用已知的一些方法计算(Г.Г.ClЮCaPef著“光学系统计算方法(Memogu reciemaOnmuieckuxCucmeu)”，1937，联合科技出版社，物理-理论文献编辑部主编，(列宁格勒-莫斯科)，第577页)。
因此，在本装置中，可以利用一套能互相替换的镜片3，这些镜片的表面4和5的曲率比值不同，相应地冲击波的聚焦点O2的位置也就不同，这就简化了装置的操作。为了使激光辐射和冲击波同时聚焦，镜片3应该用对激光辐射透明的，而冲击波在镜片凹表面4和透明介质的分界面上的反射系数足够大的材料来制作，这可用透明介质的波阻Z1和制作镜片3的固体的波阻Z2来说明。
波阻Z1和Z2通过如下关系式联系起来
式中бr-镜片材料的屈服点，单位为牛顿/米2。
P0-透明介质和镜片3的界面在冲击波中受到的最大压力值，单位为牛顿/米2。
式中ρ1和ρ2-分别为透明介质密度和镜片3的材料密度，单位为公斤/米2。
C1和C2-分别为透明介质中的声速和固体中的声速，单位为米/秒。
L-给定的冲击波强度的反射系数最小值。
相对于固体波阻Z2解条件式(2)，得
因此，对于任何透明介质(液体或气体)都可以借助于包含表征бr、ρ1、ρ2、C1和C2的数据表，给出一系列满足限制条件式(3)的材料。首先，冲击波对镜片3的作用不会造成镜片3的损坏，因为波压的最大值将小于固体材料的可塑性限度，其次，冲击波的聚焦效率将相当大。
例如，镜片3可以用火石玻璃、石英玻璃等制作。
在将所推荐的装置应用于不希望激光辐射作用于目标上的一些领域的情况下，例如应用于医学上时，凹表面4和凸表面5各自的主光轴(图2)相应地相交成一定角度。同时冲击波的聚焦点O2位于离开激光辐射的地方，並且可以将激光辐射屏蔽起来。
图2所示的冲击波聚焦装置中，凸形镜面5的主光轴位于激光器1的光轴上，而凹表面4的主光轴与它交成一角度。而且凹表面4的主光轴与凸表面5的主光轴之间的夹角是根据结构要求和放置目标(特别是病人)、仪器等的方便加以选择的。
图3示出了冲击波聚焦装置的另一种实施方案，根据该方案，镜片3以其凸表面5对着激光器1。
和第一种方案一样，镜片3的用于激光辐射的焦点O1也是在镜片3的凹表面4一侧。冲击波的聚焦点O2将位于镜片3的与激光器1相对的另一侧。而且为了保证使冲击波聚焦在距镜片3的凹表面4为指定距离处，必须满足如下关系式(表面4和5呈球面形状时)
(γ R1R2)/(［(1+γ)R1-(1-γ)R2-(1-γ)2L］) =d ，式中R1-凸表面5的曲率半径，米。
R2-凹表面4的曲率半径，米。
γ＝n1/n2式中n1和n2-分别为透明介质的折射率和镜片3的材料的折射率。
L-镜片3的中心厚度，米。
d-从凹表面4到冲击波聚焦点O2的指定距离，米。
与第一种方案中一样，上式是当射线在球形表面折射和反射时，根据阿贝不变式关系得到的。
当表面4和5的几何形状为其它样子时，从凹表面4到冲击波聚焦点O2的距离d，也和第一种方案时那样，可以根据已知的一些方法确定(Г.Г.CuЮcaPef著“光学系统计算方法”，1937，联合科技出版社，物理-理论文献编辑部主编，(列宁格勒-莫斯科)，第577页)。
显而易见，图1和图3所示的使激光辐射和球面冲击波聚焦用的器件3的实施方案，是用一个元件使激光辐射聚焦和使冲击波聚焦这一课题的等效方案，这样就保证冲击波聚焦装置的光学系统得以简化，从而也简化了装置的操作和调整方法。在这两种情况下，激光辐射和冲击波两者的聚焦情况是由会聚的凹凸镜片3使激光辐射聚焦，由镜片3的凹表面4使冲击波聚焦。既然所述装置的两种方案是等效的，那么在介绍装置的第一种方案时所说明的有关制作镜片3的材料、镜片3的凹表面4的主光轴(图2)与凸表面5的主光轴之间的夹角以及利用一套镜片3的可能性等方案也适用于图3所示的装置。
下面根据本发明给出冲击波聚焦装置具体实施方案的一些参数。
按图1实施的冲击波聚焦装置红宝石激光器-脉冲辐射能量，EЛ-0.2焦耳-脉冲时间，τ-15～20毫微秒透明介质-双蒸馏水H2O-折射率，n2-1.33-密度，ρ1-103公斤/米3-声速，C1-1.43×103米/秒-波阻，Z1-1.43×106公斤/(米2·秒)镜片3的凹表面4对着激光器1，凸表面5有镜面镀层。
镜片材料-石英玻璃-折射率，n1-1.51-密度，ρ2-2.5×103公斤/米3-声速，C2-5.6×103米/秒-波阻，Z2-14×106公斤/(米2·秒)-镜片材料屈服点，бr-7.8×107牛顿/米2-凸表面曲率半径，R1-6×10-2米-凹表面曲率半径，R2-2.2×10-2米-镜片中心厚度，L-0.2×10-2米激光辐射聚焦在O1点，至镜片3的凹表面4的距离为2.7×10-2米。球面冲击波聚焦在O2点，至O1点的距离为4～5毫米，即至凹表面4的距离为2.3～2.2×10-2米。在给定参数EЛ、τ、R1、R2的情况下，液体(双蒸馏水H2O)和固体镜片3(石英玻璃)的分界面上的压力P0达到106牛顿/米2的数量级。
按图3实施的冲击波聚焦装置红宝石激光器-脉冲辐射能量，EЛ-0.2焦耳-脉冲时间，τ-15～20毫微秒透明介质-双蒸馏水H2O-折射率，n1-1.33-密度，ρ1-103公斤/米3-声速，C1-1.43×103米/秒-波阻，Z1-1.43×106公斤/(米2·秒)镜片3的凸表面5对着激光器1。
镜片材料-石英玻璃-折射率，n2-1.51-密度，ρ2-2.5×103公斤/米3-声速，C2-5.6×103米/秒-波阻，Z2-14×106公斤/(米2·秒)-镜片材料屈服点，бr-7.8×107牛顿/米2-凸表面曲率半径，R1-1.6×10-2米-凹表面曲率半径，R2-0.15米-镜片中心厚度，L-0.2×10-2米而且激光辐射聚焦在至镜片3的凹表面4的距离为0.142米的O1点。从O1点发出的球面冲击波被凹表面4聚焦在O2点，至凹表面4的距离等于0.16米。在给定参数EЛ、τ、R1、R2的条件下，液体和固体镜片3(分别为双蒸馏水H2O和石英玻璃)的分界面上的压力P0达到106牛顿/米2数量级。
图1所示装置的工作情况如下从激光器1出发进入槽2的激光辐射射到镜片3上以后，从镜片3的凸形镜表面5上反射，並聚焦在透明介质中的O1点。其结果在O1点发生来自镜片3的凹表面4方向的介质的光学击穿，並形成压力球面冲击波。因为镜片3的凹表面4是使冲击波聚焦的表面，所以从球面形凹表面4上部分地反射的球面冲击波聚焦在O2点，该点将位于激光器1和镜片3之间。因此激光辐射的聚焦和球面冲击波的聚焦是由一个元件-镜片3实现的，这样就简化了装置的光学系统，从而也简化了它的操作和调整方法(与按照PCT/DE85/03631实施的装置的光学系统比较而言)。
图3所示装置的工作情况如下激光辐射到达镜片3的凸表面5上。由于制作镜片3的材料对激光辐射是透明的，所以激光辐射能通过镜片3，且被它的两个表面5和4及它们之间的介质聚焦在透明介质中的O1点。其结果在O1点发生介质的光学击穿，並形成压力球面冲击波。由于镜片3的凹表面4是使球面冲击波聚焦的表面，所以球面冲击波从凹表面4上部分地反射而聚焦在O2点，该点位于镜片3的凹表面4一侧，即与激光器1相反的一侧。
因此在上述冲击波聚焦装置实施方案中，激光辐射的聚焦和冲击波的聚焦也是由一个元件-镜片3实现的。
为了改变激光辐射的聚焦点和球面冲击波的聚焦点的相对位置，可以利用一套能互相替换的、其表面4、5的曲率半径比不同的镜片3，这样也简化了装置的操作。
还可以使用这样一种镜片3，它的凹表面4和凸表面5的两条主光轴(图2)相交成一定角度。其中包括凸表面5的主光轴与激光光束轴重合，而凹表面4的主光轴则与其交成一角度。
在这种情况下，介质的光学击穿将发生在激光光束轴上，而由此所产生的从凹表面4上反射的球面冲击波将聚焦在位于激光辐射区以外的O2点。
本发明的卓有成效的装置可以应用于医学，用来进行诊断和用于体外碎石术。
权利要求
1.一种冲击波聚焦装置，包括脉冲激光器(1)，盛有对激光辐射透明的介质的箱(2)以及用来使激光辐射和球面冲击波聚焦的器件(3)，该器件有一个用来聚焦球面冲击波的表面(4)，该装置的特征为用来使激光辐射和球面冲击波聚焦的器件(3)是用对激光辐射透明的材料制成的凹凸镜片，它的两个表面(4、5)具有不同的曲率值，而且使球面冲击波聚焦用的表面(4)呈凹状。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征为凹表面(4)对着激光器(1)，而凸表面(5)上有反射激光辐射的镀层(6)。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征为凸表面(5)对着激光器(1)。
4.根据上述任意一项权利要求中所述的装置，其特征为凹表面和凸表面(4、5)各自的主光轴相交成一定角度。
全文摘要
一种冲击波聚焦装置，包括脉冲激光器1、盛有对激光辐射透明的介质和箱2以及使激光辐射和球面冲击波聚焦的器件3，该器件是由对激光辐射透明的材料制成的凹凸镜片，它有两个曲率半径不同的表面4、5，而且用来使球面冲击波聚焦的表面4呈凹状。在一种方案中，凹表面4对着激光器1，而凸表面5上有反射激光辐射的镀层6。在另一种实施方案中，凸表面5对着激光器1。
文档编号A61B17/22GK1050265SQ8910711
公开日1991年3月27日 申请日期1989年9月15日 优先权日1989年9月15日
发明者加丽娜·瓦莱里亚诺夫娜·德里墩, 尤里·伊萨维奇·奥斯特诺夫斯基, 亚历山大·米哈伊诺维奇·萨姆索诺夫, 尹丽娜·弗拉基米诺芙娜·萨姆诺娃, 芙琳娜·维塔丽芙娜·索古林斯卡亚 申请人:苏联科学院A.F.尹奥菲物理技术研究所