具有皮肤冷却功能的高功率vcsel激光治疗装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种具有皮肤冷却功能的高功率VCSEL激光治疗装置，包括封装在激光器热沉上的VCSEL阵列、设置在VCSEL阵列出光面前方的光学传输器件、以及贴靠在光学传输器件出光口端的高导热光学窗口片，在激光器热沉、光学传输器件和高导热光学窗口片的外侧设置有一体成型的冷却传导金属件，并且，在冷却传导金属件和激光器热沉之间设置有一片或多片半导体制冷片，半导体制冷片的热端与激光器热沉接触，半导体制冷片的冷端与冷却传导金属件接触。在上述高功率VCSEL半导体激光治疗装置中，半导体制冷片和VCSEL阵列的热沉公用，简化了其内部结构。因此，该激光治疗装置具有结构简单、易于制造、可靠性高等诸多优点，在激光医疗领域具有广阔的应用前景。
【专利说明】具有皮肤冷却功能的高功率VCSEL激光治疗装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体激光治疗装置，尤其涉及一种以垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,简称VCSEL)作为光源、具有皮肤冷却功能的高功率半导体激光治疗装置，属于激光医疗仪器【技术领域】。
【背景技术】
[0002]在过去的二十年间，高功率半导体激光器被广泛地应用于皮肤外科与激光美容外科等领域，比如脱毛、嫩肤、祛皱、色素治疗、物理疗法等。在绝大多数的治疗场合，一方面需要给皮肤注入足够大的激光能量，另一方面还要防止高功率激光对皮肤的灼伤，因而绝大多数激光治疗装置需要配合皮肤冷却装置来使用。
[0003]在传统的高功率半导体激光器中，使用半导体制冷片和高导热光学窗口片构成的接触式皮肤冷却装置，是一种常用的设计结构。例如中国专利ZL 201220625361.1和ZL201320713701.0中公开的半导体激光器结构。其中，在常用的高导热光学窗口片中，尤以蓝宝石接触窗口的应用最为广泛。使用蓝宝石作为皮肤治疗装置的接触窗口，最早的历史可以追溯到上世纪90年代，详细结构可以参见美国专利文件US6273885B1中的记载。
[0004]现有的高功率半导体激光器广泛使用边发射半导体激光器阵列作为激光光源。边发射半导体激光器阵列是一种叠层式结构，具有独立而复杂的激光器热沉结构，因而不能与半导体制冷片的热沉公用，这样就使得皮肤冷却结构和激光器结构需要分别设计独立的冷却热沉和通水结构，治疗装置的结构因此变得非常复杂。例如中国专利ZL201220625361.1中公开的双侧制冷型医疗美容用半导体激光器系统，包括两个通水块，其中，第一通水块用于对接触窗进行传导冷却，第二通水块用于对半导体激光器阵列进行传导冷却，这种双通水块的结构导致半导体激光器的内部结构复杂、激光治疗头体积较大，在皮肤治疗时常常会影响操作者的视野，增加手术难度。因此，如果可以设计出体积小巧、操作方便的激光治疗手柄，将会极大地减少激光手术时的操作难度。
[0005]近年来，随着垂直腔面发射激光器(简称VCSEL)的制造技术逐渐成熟，VCSEL逐渐实现了接近于边发射半导体激光器的高功率输出。同时由于其独特的结构，其应用中存在的诸多优点，如高可靠性、耐高温、光学分布均匀、表面高反射率、波长温漂小等等。在激光医疗领域，垂直腔面发射激光器必将逐渐取代传统边发射半导体激光器成为未来主要的激光治疗设备。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有皮肤冷却功能的高功率VCSEL激光治疗装置。
[0007]为了实现上述发明目的，本发明采用了下述的技术方案:
[0008]一种具有皮肤冷却功能的高功率VCSEL激光治疗装置，包括激光器热沉、封装在所述激光器热沉上的VCSEL阵列、设置在所述VCSEL阵列出光面前方的光学传输器件、以及设置在所述光学传输器件出光口端的高导热光学窗口片，
[0009]在所述激光器热沉、所述光学传输器件和所述高导热光学窗口片的外侧设置有一体成型的冷却传导金属件，并且，在所述冷却传导金属件和所述激光器热沉之间设置有一片或多片半导体制冷片，所述半导体制冷片的热端与所述激光器热沉接触，所述半导体制冷片的冷端与所述冷却传导金属件接触。
[0010]其中较优地，所述冷却传导金属件包裹于所述高导热光学窗口片、所述光学传输器件和所述激光器热沉的外部；
[0011]所述高导热光学窗口片嵌装于所述冷却传导金属件前端的开口中；所述光学传输器件设置在所述冷却传导金属件前部的空腔中；所述激光器热沉设置在所述冷却传导金属件后部的空腔中，一片或多片所述半导体制冷片设置在所述激光器热沉和所述冷却传导金属件之间的缝隙中。
[0012]其中较优地，所述光学传输器件通过支撑件设置在所述冷却传导金属件前部的空腔中，在所述光学传输器件和所述支撑件的接触缝隙处，以及所述支撑件和所述激光器热沉的接触缝隙处，使用密封胶进行密封固定。
[0013]其中较优地，所述光学传输器件通过固定件设置在所述激光器热沉和所述VCSEL阵列的前方。
[0014]其中较优地，所述光学传输器件是内壁抛光的反射镜筒或者基于内壁全反射的导光锥。
[0015]其中较优地，所述激光器热沉的封装面的截面是一个圆的部分外切多边形，所述封装面由多个相互呈一定角度的小封装平面组成，所述封装面内凹，并且，每个小封装平面的中心法线在焦点位置处相交；所述VCSEL阵列中的所有VCSEL芯片分别安装于所述热沉的各个小封装平面上，并且，每个所述小封装平面用于封装一个或多个VCSEL芯片。
[0016]其中较优地，所述光学传输器件的入光面的截面为圆弧状或圆弧面外切多边形。
[0017]其中较优地，所述高导热光学窗口片是蓝宝石或光学级人工钻石。
[0018]其中较优地，所述高导热光学窗口片的双面镀光学增透膜。
[0019]其中较优地，所述激光器热沉的内部设计有微通道结构。
[0020]本发明提供的高功率VCSEL半导体激光治疗装置，采用VCSEL芯片作为激光光源，具有结构简单的激光器热沉，通过使用半导体制冷片、冷却传导金属件和高导热光学窗口片作为皮肤冷却器件，且半导体制冷片的热端通过VCSEL激光器热沉进行散热，使得半导体制冷片和VCSEL阵列的热沉公用。这种高功率VCSEL半导体激光治疗装置具有结构简单、功能强大、易于制造、可靠性高、环境适应性强等诸多优点，在激光医疗领域，如皮肤外科、激光美容外科领域等具有广阔的应用前景。同时，在光学传输器件和支撑件的接触缝隙处，以及支撑件和激光器热沉的接触缝隙处，使用密封胶(如硅橡胶)等进行密封固定，可以达到防水、防潮、防尘的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明提供的具有皮肤冷却功能的高功率VCSEL激光治疗装置的结构示意图；
[0022]图2是第二实施例中，VCSEL激光器热沉和内壁反射型光学传输器件的结构示意图；
[0023]图3是第二实施例中，在激光器热沉表面封装VCSEL阵列的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。
[0025]垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种出光方向垂直于外延片的半导体激光器。高功率VCSEL激光器是由成百上千个沿着外延片表面分布的VCSEL发光点构成的二维阵列，因而具有很高的光学输出功率。一般VCSEL芯片的封装是通过将VCSEL芯片整体焊接在一个具有高导热率的封装衬底上，然后将衬底焊接于散热热沉上，完成VCSEL的散热冷却。VCSEL激光器的封装结构，由于使用了结构简单的热沉，使得激光器热沉与半导体制冷片的热沉公用成为可能。
[0026]本发明所提供的高功率VCSEL激光治疗装置的结构如图1所示，包括激光器热沉
2、由多个VCSEL芯片组成的VCSEL阵列4、光学传输器件8、高导热光学窗口片6、冷却传导金属件I和多片半导体制冷片7。其中，VCSEL阵列4通过封装衬底3封装在激光器热沉2上,在VCSEL阵列4出光面前方设置有光学传输器件8、并在光学传输器件8出光口端设置有高导热光学窗口片6,在激光器热沉2、光学传输器件8和高导热光学窗口片6的外侧设置有一体成型的冷却传导金属件I，并且，在冷却传导金属件I和激光器热沉2之间设置有一片或多片半导体制冷片7，半导体制冷片7的热端与激光器热沉2接触，半导体制冷片7的冷端与冷却传导金属件I接触。
[0027]在该高功率VCSEL激光治疗装置中，通过高导热光学窗口片6、冷却传导金属件I和半导体制冷片7构成的皮肤冷却器件对皮肤进行冷却，其中，半导体制冷片7的热端通过激光器热沉2进行散热。也就是说，在该高功率VCSEL激光治疗装置中，VCSEL阵列4和皮肤冷却器件公用激光器热沉2。
[0028]具体地说，在图1所示的实施例中，在该高功率VCSEL激光治疗装置内部，冷却传导金属件I包裹于高导热光学窗口片6、光学传输器件8和激光器热沉2的外部。高导热光学窗口片6嵌装于冷却传导金属件I前端的开口中，构成激光能量的出口。光学传输器件8通过图1所示的支撑件10设置在冷却传导金属件I前部的空腔中，支撑件10可以使用与冷却传导金属件I相同的材料，用于将光学传输器件8在激光传导过程中产生的热量通过支撑件10和冷却传导金属件I及时散发出去。当然，图1中位于光学传输器件8和冷却传导金属件I之间的支撑件10也可以与冷却传导金属件I 一体成型，从而简化整个激光治疗装置的组装。激光器热沉2设置在冷却传导金属件I后部(远离皮肤的一侧)的空腔中，一片或多片半导体制冷片7设置在激光器热沉2和冷却传导金属件I之间的缝隙中，用于对冷却传导金属件I进行制冷；半导体制冷片7的热端与激光器热沉2接触，半导体制冷片7的冷端与冷却传导金属件I接触，从而将从冷却传导金属件I传送来的热量通过激光器热沉2传输出去。激光器热沉2同时用于VCSEL阵列4和由高导热光学窗口片6、冷却传导金属件I和半导体制冷片7构成的皮肤冷却器件的散热。
[0029]在激光器热沉2内部设置有微通道结构11，在激光器热沉2的后部设置有出入水口 12，出入水口 12与激光器热沉2内部的微通道结构11相通，用于提供冷却水进行冷却，从而提闻激光器热沉2的热交换效率。
[0030]由此可见，在该高功率VCSEL激光治疗装置中，VCSEL阵列4和皮肤冷却器件公用激光器热沉2，VCSEL阵列4和半导体制冷片7均通过激光器热沉2进行散热，从而在保证充分散热并能进行皮肤冷却的前提下，简化了激光治疗装置的内部结构。
[0031]上面对本发明提供的高功率VCSEL激光治疗装置的皮肤冷却功能的实现结构进行了详细的描述，下面对该高功率VCSEL激光治疗装置中的其他详细结构进行介绍。
[0032]在图1所示的第一实施例中，激光器热沉2的封装面是一个平面，多个VCSEL芯片在激光器热沉2的封装面上密集排列构成VCSEL阵列4。在VCSEL阵列4的出光面前方设置有光学传输器件8，具体来说，光学传输器件8通过固定件9 (当使用导光锥时，固定件9为光锥套)设置在激光器热沉2和VCSEL阵列4的前方。为了达到防水、防潮、防尘的效果，在光学传输器件8和支撑件10的接触缝隙处，以及支撑件10和激光器热沉2的接触缝隙处，可以使用密封胶(如硅橡胶)等进行密封固定。
[0033]在该实施例中,光学传输器件8使用内壁反射型光学传输器件,用于对VCSEL阵列4发出的光线进行传输和汇聚。由于VCSEL是圆形光源，其发散角较小(发散角全角约为15?20度左右)，其远场光强近似平顶分布，能量均匀，因此，与边发射半导体激光器相比，VCSEL发射的光线更容易汇聚，并且在远场能量分布均匀。此外，该内壁反射型光学传输器件，还可以将从皮肤治疗点反射回来的光线反射至VCSEL阵列4的出光面上，依赖VCSEL芯片表面极高的反射率(99.5%以上)，VCSEL阵列4的出光面可以对经过皮肤治疗点和内壁反射型光学传输器件反射回来的反射光线进行高效的二次反射，充分提高了激光的利用率和皮肤的吸收率，提高了治疗效果。
[0034]实际使用中，通常选取内壁抛光的反射镜筒或者基于内壁全反射的导光锥(可以为平行光锥或梯台型光锥等)作为光学传输器件8。其中，反射镜筒利用内壁镜面反射方式实现激光从芯片发光区到皮肤治疗点的传输和汇聚；导光锥利用内壁全反射方式实现激光从芯片发光区到皮肤治疗点的传输和汇聚。为了提高导光锥的透光效率，可以在导光锥的入光面和出光面分别蒸镀光学增透膜。
[0035]在该实施例中，高导热光学窗口片6贴靠在光学传输器件8的出光口端,高导热光学窗口片6可以选用蓝宝石或光学级人工钻石等高导热性、高透光性材料，为了增强高导热光学窗口片6的透光率,还可以在该高导热光学窗口片6的双面蒸镀光学增透膜。
[0036]综上所述，在本发明的第一实施例中，使用封装面为平面的激光器热沉2对VCSEL阵列4进行封装，使用内壁反射型光学传输器件(例如导光锥)对激光光线进行传输汇聚，并通过高导热光学窗口片6、冷却传导金属件I和半导体制冷片7构成的皮肤冷却器件对皮肤进行冷却。其中，通过简单的结构设计，使得VCSEL阵列4和皮肤冷却器件公用激光器热沉2，从而简化了高功率VCSEL激光治疗装置的内部结构。
[0037]在本发明的第二实施例中，高功率VCSEL激光治疗装置的整体结构设置与第一实施例相同，只有激光器热沉2的封装面、VCSEL阵列4的封装结构以及光学传输器件8的入光面与第一实施例存在区别。激光器热沉2的封装面不仅可以设置成如图1所示的平面，还可以设置成图2所示的多边形封装面，而且，当激光器热沉2的封装面是如图2所示的多边形时，VCSEL阵列的聚光效果更好。
[0038]如图2和图3所示，激光器热沉2的封装面的截面是一个圆的部分外切多边形，夕卜切于以皮肤治疗点为圆心，以焦距为半径的圆弧面。激光器热沉2的封装面由多个相互呈一定角度的小封装平面组成，封装面内凹，近似于内凹的弧形。具体来说，激光器热沉2的封装面的截面是以皮肤治疗点所在的汇聚点(VCSEL阵列的焦点)为圆心O、以焦距为半径R的圆的部分外切多边形，其中，每个小封装平面的中心法线均汇聚于焦点。实际使用中，其汇聚点可以有一定偏差，只要小封装平面的中心法线可以汇聚于焦点附近即可。该激光器热沉2通过将多个VCSEL芯片的光束汇聚到弧面圆心位置附近，实现多个VCSEL芯片在一个方向上的光学汇聚。
[0039]在该高功率VCSEL激光治疗装置中，使用上述激光器热沉2对VCSEL阵列4中的所有VCSEL芯片进行封装。如图3所示，分别将VCSEL阵列4中的所有VCSEL芯片安装于弧形热沉2的各个小封装平面上，并且，在每个小封装平面上可以封装一个或多个VCSEL芯片，这样可以使所有VCSEL芯片的正投影全部分布在以焦点为圆心O、以焦距为半径R的圆的外圆周上，并且，所有VCSEL芯片的中心法线在圆心位置相交。所以，所有VCSEL发光单元的光束，可以沿每个VCSEL芯片的中心法线方向在圆心位置相交，实现功率的叠加。
[0040]相应地，在该实施例中，光学传输器件8的入光面的截面可以为圆弧状或圆弧面外切多边形。同时，光学传输器件8的内壁以平行于以焦点为圆心、以焦距为半径的圆的半径方向为优，光学传输器件8的长度小于VCSEL阵列4焦距的长度。通过该光学传输器件8可以实现激光的高效传输，并对激光具有一定的光束压缩作用，实现光束汇聚功能。
[0041]当光学传输器件8的入光面的截面呈圆弧形时，其入光面的圆心与VCSEL阵列4的汇聚点相同，从而使入光面与VCSEL阵列4中的各个VCSEL芯片的出光面相切，VCSEL芯片出光面的中心法线垂直于光学传输器件8的入光面，VCSEL芯片发射的激光可以直射入光学传输器件8的内部，并且，每个VCSEL的发散角都可以得到压缩。
[0042]当光学传输器件8的入光面的截面呈圆弧面外切多边形，其入光面可以由多个互相呈一定角度的小平面组成，并且，其圆心与激光器热沉4的圆心同心。使光学传输器件8的每个小平面与激光器热沉2的单个小封装平面对应且平行，可以使封装于各个小封装平面上的VCSEL芯片的中心法线与其对应的小平面垂直，从而，使得VCSEL芯片发射的激光可以直射入光学传输器件8的内部，并且，每个VCSEL的发散角都可以得到压缩。此外，这种圆弧面外切多边形的设置极大地减小了 VCSEL阵列4与光学传输器件8之间的距离，减少了缝隙处的激光逃逸。
[0043]在本发明的第二实施例中，在高功率VCSEL半导体激光治疗装置中，不仅通过对皮肤冷却器件进行改进，简化了其内部结构，同时，通过对VCSEL阵列的封装进行改进，有效提高了 VCSEL的光学汇聚和利用率。
[0044]综上所述，本发明提供的高功率VCSEL半导体激光治疗装置，采用VCSEL芯片作为激光光源，具有结构简单的激光器热沉。同时，该高功率VCSEL半导体激光治疗装置使用半导体制冷片、冷却传导金属件和高导热光学窗口片作为皮肤冷却器件，半导体制冷片的热端与VCSEL阵列公用激光器热沉，从而在实现皮肤冷却的同时，使得整个装置的冷却结构和通水结构变得极其简单。这种装置结构简单、功能强大、易于制造、成本低廉、可靠性高、环境适应性强等诸多优点，在激光医疗领域，如皮肤外科、激光美容外科领域等具有广阔的应用前景。
[0045]以上对本发明所提供的具有皮肤冷却功能的高功率VCSEL激光治疗装置进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
【权利要求】
1.一种具有皮肤冷却功能的高功率VCSEL激光治疗装置，其特征在于包括激光器热沉、封装在所述激光器热沉上的VCSEL阵列、设置在所述VCSEL阵列出光面前方的光学传输器件、以及设置在所述光学传输器件出光口端的高导热光学窗口片， 在所述激光器热沉、所述光学传输器件和所述高导热光学窗口片的外侧设置有一体成型的冷却传导金属件，并且，在所述冷却传导金属件和所述激光器热沉之间设置有一片或多片半导体制冷片，所述半导体制冷片的热端与所述激光器热沉接触，所述半导体制冷片的冷端与所述冷却传导金属件接触。
2.如权利要求1所述的高功率VCSEL激光治疗装置，其特征在于: 所述冷却传导金属件包裹于所述高导热光学窗口片、所述光学传输器件和所述激光器热沉的外部； 所述高导热光学窗口片嵌装于所述冷却传导金属件前端的开口中；所述光学传输器件设置在所述冷却传导金属件前部的空腔中；所述激光器热沉设置在所述冷却传导金属件后部的空腔中，一片或多片所述半导体制冷片设置在所述激光器热沉和所述冷却传导金属件之间的缝隙中。
3.如权利要求2所述的高功率VCSEL激光治疗装置，其特征在于: 所述光学传输器件通过支撑件设置在所述冷却传导金属件前部的空腔中，在所述光学传输器件和所述支撑件的接触缝隙处，以及所述支撑件和所述激光器热沉的接触缝隙处，使用密封胶进行密封固定。
4.如权利要求1或2所述的高功率VCSEL激光治疗装置，其特征在于: 所述光学传输器件通过固定件设置在所述激光器热沉和所述VCSEL阵列的前方。
5.如权利要求1或2所述的高功率VCSEL激光治疗装置，其特征在于: 所述光学传输器件是内壁抛光的反射镜筒或者基于内壁全反射的导光锥。
6.如权利要求1或2所述的高功率VCSEL激光治疗装置，其特征在于: 所述激光器热沉的封装面的截面是一个圆的部分外切多边形，所述封装面由多个相互呈一定角度的小封装平面组成，所述封装面内凹，并且，每个小封装平面的中心法线在焦点位置处相交；所述VCSEL阵列中的所有VCSEL芯片分别安装于所述热沉的各个小封装平面上，并且，每个所述小封装平面用于封装一个或多个VCSEL芯片。
7.如权利要求6所述的高功率VCSEL激光治疗装置，其特征在于: 所述光学传输器件的入光面的截面为圆弧状或圆弧面外切多边形。
8.如权利要求1或2所述的高功率VCSEL激光治疗装置，其特征在于: 所述高导热光学窗口片是蓝宝石或光学级人工钻石。
9.如权利要求8所述的高功率VCSEL激光治疗装置，其特征在于: 所述高导热光学窗口片的双面镀光学增透膜。
10.如权利要求1或2所述的高功率VCSEL激光治疗装置，其特征在于: 所述激光器热沉的内部设计有微通道结构。
【文档编号】A61N5/067GK104353194SQ201410643581
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】李阳, 李德龙 申请人:李德龙