专利名称：多种工作模式多功能红外激光医学照射装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种多种工作模式多功能红外激光医学照射装置。尤其是在现有单一工作模式与功能的脉冲NdYAP、HOYAG、ErYAG固体激光器的基础上进行技术改造，采用了已公知的调Q开关、倍频、脉冲形状控制电路、锥形光纤传导等技术措施的激光医学实验研究照射装置。
从激光医学基础实验研究可知，皮肤组织细胞对光照作用的吸收分为1)选择性吸收—皮肤组织细胞对各种谱线波长的吸收系数大小与所含色素种类相关，而与细胞内水分子无关。常用的谱线主要在500-1200nm范围内。2)非选择性吸收—皮肤组织细胞对照射谱线波长的吸收系数均较大与所含的色素种类无关，而与所含的水分子相关。常用的激光在红外波段波长为1.34μm、1.45μm、2.1μm、2.9μm、10.6μm等。对“非选择性吸收”，由于组织细胞内含有大量(约70％)的水分子，在上述波长照射时吸收系数均很高，当组织细胞吸收光能后，必导致温升，其规律为37℃-60℃为加热过程，60℃-65℃细胞发生变性，65℃-90℃细胞凝固与坏死，100℃以上细胞水分子沸腾产生汽化与炭化。以上过程的作用其效果在皮肤组织可形成剥脱层、凝固层与热效应层。另外，光谱线对各种皮肤组织细胞的照射，由于曝光时间脉冲宽度的不同，其作用可分为“曝破效应”与“热凝效应”(脉宽ns级产生“曝破效应”、ms级产生“热凝效应”、μs产生“准曝破效应”)。其光谱线对各种皮肤组织细胞产生的热刺激、损伤与破坏作用的程度不同又分为“剥脱效应”与“非剥脱热动力效应”等。究竟想对各种皮肤组织细胞的光照作用要产生何种效应与效果，这除与“标的”各种皮肤组织细胞的内在因素相关外，主要与照射光谱线及谱线宽度、单次脉冲能量值大小、脉冲宽度、脉冲间隔时间、光斑面积、能量密度等诸多参数的选择与调控密切相关。经综合分析认为目前照射光的脉冲宽度≤10ns所产生的“曝破效应”，仅局限于激光波长为532nm、585nm、694nm、755nm、1060nm等“选择性吸收”谱线范围的研究与应用(500-1200nm)。而对医学应用非常有价值脉冲宽度≤10ns激光的“曝破效应”，尤其是对各种皮肤组织均可产生精确调控的“微曝破剥脱效应”，在“非选择性吸收”谱线波长1.34μm、1.45μm、2.1μm、2.9μm、10.6μm等均未得到应有的重视与应用。如何正确认识并充分利用与发挥“曝破效应”在诸“非选择性吸收”谱线，对各种表浅层皮肤组织细胞的“微曝破剥脱效应”的作用与效果，值得高度重视与深入研究。同时用诸“非选择性吸收”谱线，对各种皮肤组织细胞的弱能量及长脉宽ms级的“温和”参数光热刺激作用产生的“非剥脱热动力效应”，通过脉宽ms级的激光被真皮乳头层胶原蛋白中的水分子吸收升温，其热效应可使胶原蛋白再生与重组，并恢复其弹性状态等，以上这些不同波长的各种作用与效果值得进一步对比分析研究与探讨。为此本实用新型提出的新技术方案，主要针对实验设计“标的”的各种要求1)照射装置输出的光谱线对皮肤各种组织作用表浅，且对各种皮肤表浅层组织细胞均产生可精确控制的“微曝破剥脱效应”。2)对表浅剥脱层以下的组织细胞产生“温和”光热刺激作用而形成热效应层，只起刺激细胞改变与再生，而不移走组织的“非剥脱热动力效应”。3)高能输出时，其脉冲光谱线对各种组织细胞产生“热凝效应”与“汽化”作用。4)尽量采用较灵活的光纤传导方式，根据以上要求，必须选择各种组织细胞包括水分子均有较大吸收系数的“非选择性吸收”谱线，如1.34μm、1.45μm、2.1μm、2.9μm、10.6μm等，经比较分析认为其中输出波长分别为1.34μm、2.1μm、2.9μm的NdYAP、HoYAG、ErYAG均为较类同的固体激光器，都可采用调Q开关及脉宽长度调控技术等精确控制各种技术参数，均能产生“微曝破剥脱效应”与“非剥脱热动力效应”，可满足实验研究的要求。虽然水分子对这三种激光波长均有较强的吸收，但由于其吸收系数大小有所不同，因此它们对各种组织细胞的作用强弱与深度等不尽相同，其效果必各具特点与适应性，都有一定的医学研究应用价值；波长1.45μm为半导体激光，其结构目前难以应用调Q开关技术，输出脉宽不能达到≤10ns，无法实现“微曝破剥脱效应”，但其ms级的脉宽仅可以产生“非剥脱热动力效应”，适应范围较小；波长10.6μm的CO2气体激光器，从目前国内外技术发展的水平现状分析，其技术参数难以与固体激光器相比。虽GICC-I型中重复频率TEA-横向激励CO2激光器，输出光的脉宽可为50ns，但单次脉冲能量值较低，不能产生有效的“微曝破剥脱效应”等。因此本技术方案选择现有输出波长1.34μm、2.1μm、2.9μm，脉冲宽度约200μs、单脉冲能量调节范围0.1-3J、重复频率为单次及1-15HZ的NdYAP、HoYAG、ErYAG固体激光器进行技术改造。使它分别具有输出脉宽为ns、μs、ms多种工作模式多种功能的特点，可适应与满足对“标的”的各种实验研究的要求。另外，为了充分利用与发挥上述三种固体激光器的作用，按需要还可采取公知的倍频技术，使它们分别输出波长为670nm、1050nm、1450nm的谱线，更有特点及适应性。这种新型装置在国内外资料上尚未见报导。
本实用新型的技术措施根据转用“及“组合”发明的原则，可在现有的比较类同的NdYAP、HoYAG、ErYAG固体激光器的基础上，采用已公知各种现有技术来实现。对激光振荡器，可采用激光振荡级与行波放大技术，以适应单次脉冲能量大小不同要求的调控；脉冲氙灯泵浦电源，要完成巨脉冲和长脉冲两种工作模式的泵浦，可利用LC放电回路产生调Q巨脉冲及通过各种脉冲形状控制电路控制激光长脉冲的宽度，两种脉冲宽度的选择通过微电脑控制实现。调Q开关装置及倍频器在微控制器的精确控制下，由伺服电机调整其在光路中的位置以实现静、动态工作模式及输出倍频与基频光的选择转换。为了保证激光输出的稳定性，还可采取常用的激光输出自检与闭环反馈控制系统。以上技术措施为现有公知技术，本技术方案中不作详述，仅以激光器基本结构来示意说明。关于激光传导方式，本技术方案按实验设计要求，采用以下方式1)国际标准接口光纤耦合器与内芯约φ500μm的石英光纤匹配，以适应静态(非调Q)模式下脉宽为μs时的高能输出。2)锥形光纤直接输出由于调Q开关动态模式下，激光脉宽≤10ns，光斑直径约φ5mm，要将直径φ5mm的光斑耦合输入到光纤内芯直径为φ500μm的端面上，必须在光纤耦合器内装有一个凸透镜才能实现，此时光纤端面上承受的峰值功率密度达MW以上，易被损伤和污染。因此，调Q开关动态下工作的各种激光装置，光传导方式国内外均采用较苯重而粗大的金属导光关节臂。由于光纤传导与金属关节臂传导各有优缺点及不同实验的要求。所以，本技术方案也采用光纤与金属导光关节臂两种传导方式，供选择使用。但从技术创新角度考虑，对调Q开关动态模式下的激光输出应尽量采用灵活的光纤传导方式。经分析认为从高科技的发展现状获知，一种锥形光纤传导方式已为现有公知技术可以利用。由于NdYAP、HOYAG、ErYAG激光器的输出光斑直径约为φ5mm，锥形光纤的输入端面直径稍大一点可加工为φ6mm。因此动态调Q激光输出的φ5mm光斑，不需安装凸透镜聚焦，可直接输入锥形光纤端面，因峰值功率密度大为降低，对其端面不易造成损伤与污染，激光束可经锥形光纤由其细端输出到“标的”。该光纤耦合传导装置既要与带凸透镜的细光纤耦合输出，又要与锥形光纤直接耦合输出，具有两用性。它与常用的光纤耦合器结构基本相同，其不同之处仅在于有或无凸透镜。使用操作时，在两用光纤耦合器内，当凸透镜与φ500μm细光纤组合件接入时，输出传导脉宽μs、ms激光束；锥形光纤直接接入光纤耦合器时，此时无凸透镜，可输出调Q动态脉宽为ns的激光束，按需选择置换。对锥形光纤的光损耗，不论何种光传导方式均不可避免，由于本技术方案的实验设计已说明，在调Q动态工作模式下，重要是为了实现激光对“标的”皮肤表浅层的作用是精确调控的“微曝破剥脱效应”，而在长脉冲宽度为ms时，是弱光“温和”刺激产生“非剥脱热动力效应”。由此可知，在上述工作模式时，激光输出均精确调控在低能量状态。所以，锥形光纤产生的光损耗及对锥形光纤端面的损伤及污染均很小，不受影响。锥形光纤内芯可采用石英材料或新型塑料等。对该装置中调Q开装置、倍频器及45°全反镜在光路中所处的位置调节、激光输出能量、脉冲宽度、脉冲间隔时间、重复频率等设置及调节、工作模式与功能转换等，均采用现有的触模面板微电脑控制，数字显示等技术，不再详述。另外为了改善激光束的发散度，可在光路上设准直器，也在光路上设有LD激光指示瞄准光源。
本实用新型的目的该技术方案主要针对目前的诸“非选择性吸收”谱线波长分别为1.34μm、2.1μm、2.9μm的NdYAP、HoYAG、ErYAG固体激光器仅有脉宽为μs级一种工作模式的特点，尤其是脉宽无ns及ms输出的共同缺点，利用现有公知技术进行改造，使它们分别可输出脉宽为ns、μs、ms的激光，为对各种皮肤组织细胞均产生可精确调控的“微曝破剥脱效应”、光刺激“非剥脱热动力效应”及“热凝”及“汽化”作用的实验研究，提供一种新型的多种工作模式多种功能的激光照射实验研究装置。
本实用新型的优点该新型技术方案是根据激光医学基础实验研究的需要，在目前输出“非选择性吸收”谱线波长分别为1.34μm、2.1μm、2.9μm固体激光器的基础上，主要采用现有公知的激光振荡与行波放大技术、调Q开关、倍频、脉冲形状控制电路及锥形光纤传导技术等改造而成，使各种激光照射装置分别具有输出脉宽ns、μm、ms及对各种组织细胞均可产生“微曝破剥脱效应”、光刺激“温和”参数的“非剥脱热动力效应”，并保持了原有的“凝固”与“汽化”作用，实现每种激光照射装置均具有多种工作模式多功能、适应性强、价格低廉的优点。
本实用新型的技术实施方案多种工作模式多功能红外激光医学照射装置，由脉冲激光器与光传导装置组成，其特征在于脉冲激光器的机壳(1)内聚光腔(5)的光轴线上装有激光工作物质为掺钕钇铝钛(NdYAP)激光晶体(6)，在其激光晶体(6)之后的光轴线上，依次安装有位置可调节调Q开关(4)、全反膜(3)、LD激光瞄准光源(2)，在激光晶体(6)之前方光轴线上依次装有半反膜(12)及准直器(14)，在聚光腔(5)下方装有脉冲氙灯泵浦源(10)，其泵浦源(10)内装有脉冲形状调控电路块(11)，泵浦源(10)经导线(8)、(9)与聚光腔(5)内同激光晶体(6)并列安装的脉冲氙灯(7)电极相连；光传导装置为在准直器(14)之前方的光轴线上安装有两用光纤耦合器(15)，光纤耦合器(15)内装有锥形光纤(16)或带凸透镜的细光纤组件(16′)，光纤(16)或(16′)经手柄(20)与“标的”照射器(19)相连。
本技术方案装置中，激光器的聚光腔(5)内光轴线上的激光工作物质——激光晶体(6)，可为掺钬钇铝石榴石(HOYAG)激光晶体或掺铒钇铝石榴石(ErYAG)激光晶体。在激光晶体(6)之前方光轴线上的全反镜(12)与准直器(14)之间装有位置可调的倍频器(13)。另外，在准直器(13)之前与两用光纤耦合器(15)之间光轴线上装有位置可调的45°全反镜(17)，45°全反镜(17)上方装有金属导光关节臂(18)，关节臂(18)与“标的”照射器(19)相连。
以下通过附图对本实用新型作进一步说明
图1是本实用新型一种实施技术方案示意图说明书附
图1标称说明1、 激光照射装置机壳 2、LD激光瞄准光源3、 全反膜4、位置可调节调Q开关装置5、 聚光腔6、激光晶体7、 脉冲氙灯 8、导线9、 导线 10、氙灯泵浦源11、脉冲形状调控电路块 12、半反膜13、位置可调节倍频器 14、准直器15、两用光纤耦合器 16、锥形光纤16、带凸透镜细光纤组件 17、位置可调节45°全反镜18、金属导光关节臂 19、“标的”照射器20、手柄参照
图1当该装置为NdYAP或HOYAG激光照射装置在静态工作模式时，调Q开关(4)、倍频器(13)、45°全反镜(17)均处于偏离光轴线位置，在脉冲氙灯泵浦源(10)工作后，其工作电压经导线(8)、(9)加在脉冲氙灯(7)电极上，此时聚光腔(5)内的脉冲氙灯(7)发光，激光晶体(6)在光照激励下由全反膜(3)与半反膜(11)组成的激光谐振腔产生激光振荡与放大，由半反膜(12)输出波长1.34μm或2.1μm脉冲宽度为μs级的激光束，经准直器(14)、两用光纤耦合器(15)与带凸透镜细光纤组件(16′)耦合，经手柄(20)传导入射“标的”照射器(19)。当在调Q动态工作模式时，可把调Q开关(4)调节到光轴线上，两用光纤耦合器(15)与锥形光纤(16)耦合，此时波长1.34μm或2.1μm脉宽为ns的激光经准直器(14)，入射两用光纤耦合器(15)与锥形光纤(16)，由其光纤末端经手柄(20)输出到“标的”照射器(19)。若调Q动态工作模式工作需要由金属导光关节臂传导，可将45°全反镜(17)调节到光轴线上，此时，波长1.34μm或2.1μm脉宽为ns的激光传输到45°全反镜(17)光轴线上，再反射到金属导光关节臂(18)内，再入射到“标的”照射器(19)。当需要静态ms级1.34μm或2.1μm的激光输出时，脉冲氙灯泵浦源(10)内的脉冲形状调控电路块(11)工作，此时调Q开关(4)、倍频器(13)、45°全反镜均不在光轴线位置上，脉冲宽度为ms的激光经准直器(14)、两用光纤耦合器(15)与锥形光纤(16)或带凸透镜细光纤组件(16′)耦合，由其光纤末端经手柄(20)入射“标的”照射器(19)。当需要输出倍频光时，在静态或调Q动态模式时，倍频器(13)均调节在处于光轴线中心位置即可。
权利要求1.一种多种工作模式多功能红外激光医学照射装置，由脉冲激光器与光传导装置组成，其特征在于激光照射装置机壳(1)内聚光腔(5)的光轴线上，装有激光工作物质为掺钕钇铝钛(NdYAP)激光晶体(6)，在其激光晶体(6)之后的光轴线上，依次安装有位置可调节调Q开关(4)、全反膜(3)及LD激光瞄准光源(2)，在晶体(6)之前方的光轴线上依次安装有半反膜(12)及准直器(14)，在聚光腔(5)下方装有脉冲氙灯泵浦源(10)，其泵浦源(10)内，安装有脉冲形状调控电路块(11)，氙灯泵浦源(10)经导线(8)、(9)与聚光腔(5)内同激光晶体(6)并列安装的脉冲氙灯(7)电极相连；光传导装置特征为在准直器(14)之前方的光轴线上安装有两用光纤耦合器(15)，耦合器(15)内装有锥形光纤(16)或带凸透镜的细光纤组件(16′)，光纤(16)或(16′)经手柄(20)与“标的”照射器(19)相连。
2.根据权利要求1所述的多种工作模式多功能红外激光医学照射装置，其特征在于聚光腔(5)内的激光工作物质——激光晶体(6)可为掺钬钇铝石榴石(H0YAG)激光晶体。
3.根据权利要求1所述的多种工作模式多功能红外激光医学照射装置，其特征在于聚光腔(5)内的激光晶体(6)可为掺铒钇铝石榴石(ErYAG)激光晶体。
4.根据权利要求1或2所述的多种工作模式多功能红外激光医学照射装置，其特征在于全反镜(12)与准直器(14)之间的光轴线上，装有位置可调倍频器(13)。
5.根据权要求1或3所述的多种工作模式多功能红外激光医学照射装置，其特征在于全反镜(12)与准直器(14)之间的光轴线上装有位置可调倍频器(13)。
6.根据权利要求1或3所述的多种工作模式多功能红外激光医学照射装置，其特征在于准直器(13)之前与两用光纤耦合器(15)之间的光轴线上，装有位置可调节45°全反镜(17)，45°全反镜(17)上方安装有金属导光关节臂(18)，其关节臂(18)与“标的”照射器(19)相连。
专利摘要一种多种工作模式多功能红外激光医学照射装置,它是由脉冲激光器及激光传导装置组成。其主要特点是在原输出“非选择性吸收”谱线的Nd:YAP、HO:YAG、及Er:YAG激光器基础上,采用了调Q开关、脉冲形状控制电路、倍频及锥形光纤传导等技术,使这些装置改变了单一工作模式,具有可输出ns、μs、ms脉宽的激光,对皮肤组织细胞产生“微曝破剥脱效应”、光刺激“非剥脱热动力效应”、“凝固”与“汽化”作用。一机多能、适应性强,可满足激光医学实验研究的需要。
文档编号A61B18/20GK2487350SQ01240409
公开日2002年4月24日 申请日期2001年5月16日 优先权日2001年5月16日
发明者党治平 申请人:党治平