CN102940529B - 一种用于激光医疗美容的半导体激光器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于激光医疗美容的半导体激光器系统，包括由多个半导体激光器叠加形成的半导体激光器阵列、位于半导体激光器阵列发光面前端的光波导、位于光波导出光口端的凸台形的透明的接触窗、以及用以对接触窗进行传导冷却的制冷块；所述制冷块分为基底部和位于基底部上方的中空型头部，在制冷块的基底部下方设置热电半导体制冷器，热电半导体制冷器下方设置有第一通水块；半导体激光器阵列安装有用于散热的第二通水块。本发明采用独特的制冷结构设计，使得与皮肤直接接触的工作端面温度能够接近冰点，且结构紧凑、稳定。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光器应用领域，涉及一种高功率半导体激光器光源系统，适用于激光医疗。
背景技术
激光医疗作为激光应用的一个重要领域，发展非常迅速，逐步走向成熟。半导体激光器因具有体积小、重量轻、寿命长、功耗低、波长覆盖广的特点，特别适用于激光医疗设备的制造。
目前商业应用的激光脱毛系统有：红宝石激光器(波长694nm)，翠绿宝石激光器(波长755nm)，半导体激光器(波长810nm)和调Q掺钕钇铝石榴石激光器(波长1064nm)。其中半导体激光器脱毛已被证实是一种安全和有效的激光脱毛方式。
据估计，2010年内全球范围内进行的激光脱毛手术达500万人次。半导体激光在美容领域的另一个重要应用是皮肤重建手术，用于除皱、嫩肤。激光被真皮胶原组织中的水分吸收，产生热效应，刺激胶原蛋白的再生和重塑，使皮肤变得光滑细嫩，恢复弹性。此外，激光还可用于治疗雀斑、外伤性色素沉着、祛除纹身、纹眉、眼线等黑、蓝色素病变
眼科中最常用的的热源是半导体激光器，半导体激光器可用于治疗各种难治性青光眼、硅油注入术后难治性高眼压，以及视网膜的光凝和固定等。
随着半导体激光技术的发展成熟，自身特有的优势不断增大，其在医疗领域的应用也在不断拓展，几乎覆盖了其它激光器的应用范围。它不仅弥补了高能CO2激光不易光纤传输、操作不便的缺点，而且弥补了灯泵浦固体激光器效率低、散热麻烦的缺点，有望成为医用激光的主流。
中国专利授权公告号为CN1452465公开了日本雅芒有限公司实用新型的激光脱毛装置。该装置采用输出功率5mW-1500mw，波长600nm-1600nm的半导体激光器进行脱毛，因为系统输出功率低，光斑尺寸小，波长输出也不可调，脱毛效率非常低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术的缺点，提供一种用于激光医疗美容的半导体激光器系统，通过接触窗可以直接与皮肤接触。
本发明的技术方案如下：
一种用于激光医疗美容的半导体激光器系统，包括
由多个半导体激光器叠加形成的半导体激光器阵列、
位于半导体激光器阵列发光面前端的光波导、
位于光波导出光口端的凸台形的透明的接触窗、以及
用以对接触窗进行传导冷却的制冷块；
所述制冷块分为基底部和位于基底部上方的中空型头部，该中空型头部的前部将接触窗的侧壁整体贴合扣紧；光波导出光口端位于中空型头部的空腔，并与中空型头部的内壁之间留有空隙；
在制冷块的基底部下方设置热电半导体制冷器，热电半导体制冷器(TEC)下方设置有第一通水块；半导体激光器阵列安装有用于散热的第二通水块。
基于上述基本技术方案，本发明还做了如下优化限定和改进。
上述第一通水块与第二通水块内的液冷通道可以各自独立，也可以相串联。
上述光波导整体为棱柱、棱台、圆柱或圆台形。
上述光波导位于半导体激光器阵列发光面前端，距离半导体激光器阵列发光面0.5-5.0毫米。
上述接触窗的材料可以是蓝宝石或者K9玻璃、石英玻璃、金刚石等，以蓝宝石为最佳。
上述接触窗和光波导为蓝宝石或金刚石制成的一体件。
上述制冷块的材料最好采用铜，铝，铁，镀金铜，镀金铝，不锈钢或者金刚石。
上述第一通水块和第二通水块的材料可以是铜，铝，不锈钢，硬质阳极化铝，塑料。
上述的半导体激光器是将激光器芯片封装在芯片热沉上，芯片热沉可以是微通道热沉、宏通道热沉或者金属块；激光器芯片可以是单发光点芯片，也可以是多发光点芯片。
本发明至少具有以下有益效果：
1、通常半导体激光器阵列中巴条快轴方向的快轴发散角为30～40度，慢轴发散角为5～10度；使用光波导传输激光，限制光束发散，光束在光波导内通过多次反射，最终出射的光斑被匀化，因此得到均匀光斑。
2、采用独特的制冷结构设计，使得与皮肤直接接触的工作端面温度能够接近冰点，且结构紧凑、稳定。
3、采用热电半导体制冷器(TEC)作为冷却源，调节制冷块的温度对接触窗进行制冷，冷却温度可低至5℃左右(冰点)，有效减小了治疗时的痛楚。
4、匹配设置具有液冷通道的通水块，散热效率高；另外，热电半导体制冷器下的通水块也可以与半导体激光器阵列等其他部件的液冷通道整体构成一个串联通道，半导体激光器阵列和半导体热电制冷器(TEC)冷却水路为串联结构，通过通水块连接，结构简单，克服了传统并联水路各支路水路不可控制的缺点，有效保证了半导体激光器的冷却，使得激光器工作更稳定可靠。
5、接触窗采用凸台设计，杜绝了治疗时辅助物品如冷凝胶等的进入，使得激光器工作更稳定可靠；同时接触窗更换简便，使用时能够与皮肤贴合，接触部温度接近冰点，既有效地保护了正常皮肤不受热损伤，减轻疼痛，又可增加治疗能量，提高疗效；同时接触窗下压皮肤，使毛囊倒伏，使激光的吸收量增加30％-40％。
附图说明
图1为本发明实施例结构示意图。
附图标号说明：1-半导体激光器阵列；2-光波导；3-接触窗；4-制冷块；5-热电半导体制冷器(TEC)；6-通水块；7-巴条芯片；8-巴条芯片热沉；9-进水口；10-出水口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，光波导2置于半导体激光器阵列1的发光面前端，距离半导体激光器阵列发光面0.5-5.0毫米，用于将激光光束进行全反射后输出；接触窗3置于光波导2出光口端。半导体激光器阵列1由多个单巴条激光器叠加形成，整个半导体激光器阵列的输出功率在200W以上。单巴条激光器可以由单个巴条芯片7焊接在巴条芯片热沉8上制成。
根据实际应用需要，光波导的材料可以是金属，则光波导为空心，且光波导内四个面均镀有反射膜；光波导的材料也可以是透明材料，如玻璃、树脂、蓝宝石、金刚石等，则光波导既可以为实心，也可以为空心。如需要进一步提高能量密度，光波导2可以采用具有光束汇聚作用的棱台形或圆台形。
激光大部分能量都被限制在波导中传输，而不会溢出。
接触窗3为凸台形，凸型接触窗的“凸”头可以直接接触皮肤。接触窗3是高导热率透明材料，可以是蓝宝石或者K9玻璃、石英玻璃、金刚石等。
制冷块的头部对接触窗传导制冷，使得与皮肤直接接触的接触窗3温度会很低，不会灼烧皮肤。制冷块分为基底部和位于基底部上方与接触窗后端面紧贴固定的头部，为一体件；光波导夹持固定在制冷块或第一通水块上，且所述头部与光波导形状相适配以使紧贴固定接触窗后端面的面积最大化并与光波导之间留有气隙。制冷块4尾部悬置在光波导下方，与光波导2不接触。
制冷块4采用铜或铝等高导热率的材料，在制冷块4下方设置半导体热电制冷器5对制冷块4进行制冷。在半导体热电制冷器5下方设置通水块6。半导体热电制冷器5和半导体激光器阵列1下方设置的通水块是一体的。半导体激光器阵列6和半导体热电制冷器5的通水块水流结构为串联。在通水块6中，水流从进水口9中进入，如虚线部位为水流，通过半导体激光器阵列1后，从半导体激光器阵列1中流出后进入通水块中，从出水口10中流出。
光波导将半导体激光器阵列所发出的大光斑整形成小光斑并均匀输出。通常半导体激光器阵列中巴条快轴方向的发散角为30～49度，由于巴条的光束在光波导内通过多次反射，最终出射的光斑被匀化，因此得到均匀光斑。
半导体激光器阵列1发出激光，经光波导2汇聚，在光波导出口光斑被汇聚到足够小尺寸，使得能量密度达到激光医疗如脱毛或者美容需求，再经接触窗3直接作用于人体皮肤组织。
为减小治疗痛楚，接触窗(治疗头)有皮肤冷却设计，冷却源采用半导体热电制冷器(TEC)，其热端连接在通水块，冷端连接在制冷块，采用热传导方式，冷却路径为半导体热电制冷器(TEC)到制冷块，再到接触窗，直接作用于人体皮肤组织，安全不损伤皮肤。接触窗在治疗紧贴皮肤，使局部表皮冷却至5度，既有效地保护了正常皮肤不受热损伤，减轻疼痛，又可增加治疗能量，提高疗效。同时激光头下压皮肤，使毛囊倒伏，使激光的吸收量增加30％-40％。
Claims (9)
1.一种用于激光医疗美容的半导体激光器系统，其特征在于：包括
由多个半导体激光器叠加形成的半导体激光器阵列、
位于半导体激光器阵列发光面前端的光波导、
位于光波导出光口端的凸台形的透明的接触窗、以及
用以对接触窗进行传导冷却的制冷块；
所述制冷块分为基底部和位于基底部上方的中空型头部，该中空型头部的前部将接触窗的侧壁整体贴合扣紧；光波导出光口端位于中空型头部的空腔，并与中空型头部的内壁之间留有空隙；
在制冷块的基底部下方设置热电半导体制冷器，热电半导体制冷器下方设置有第一通水块；半导体激光器阵列安装有用于散热的第二通水块。
2.根据权利要求1所述的用于激光医疗美容的半导体激光器系统，其特征在于：所述第一通水块与第二通水块内的液冷通道各自独立或相串联。
3.根据权利要求1所述的用于激光医疗美容的半导体激光器系统，其特征在于：所述光波导整体为棱柱、棱台、圆柱或圆台形。
4.根据权利要求1所述的用于激光医疗美容的半导体激光器系统，其特征在于：所述光波导位于半导体激光器阵列发光面前端，距离半导体激光器阵列发光面0.5-5.0毫米。
5.根据权利要求1所述的用于激光医疗美容的半导体激光器系统，其特征在于：所述接触窗的材料为蓝宝石、K9玻璃、石英玻璃或金刚石。
6.根据权利要求1所述的用于激光医疗美容的半导体激光器系统，其特征在于：所述接触窗和光波导为蓝宝石或金刚石制成的一体件。
7.根据权利要求1所述的用于激光医疗美容的半导体激光器系统，其特征在于：所述制冷块的材料为铜，铝，铁，镀金铜，镀金铝，不锈钢或者金刚石。
8.根据权利要求1所述的用于激光医疗美容的半导体激光器系统，其特征在于：所述第一通水块和第二通水块的材料为铜，铝，不锈钢，硬质阳极化铝或塑料。
9.根据权利要求1所述的用于激光医疗美容的半导体激光器系统，其特征在于：所述半导体激光器是将激光器芯片封装在芯片热沉上，芯片热沉为微通道热沉、宏通道热沉或者金属块；激光器芯片为单发光点芯片或多发光点芯片。
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