CN105411675A - 一种基于高功率半导体激光器的医疗装置 - Google Patents

一种基于高功率半导体激光器的医疗装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于高功率半导体激光器的医疗装置，大大减小了产品的体积和重量，并保证高功率下的稳定工作。该装置包括光学整形系统、光波导、光波导固定件、TEC和通水结构件，所述通水结构件整体沿光轴方向具有中心贯通的腔室，循环水通道设置于通水结构件本体的内部；通水结构件后部的腔室容置固定半导体激光器叠阵，通水结构件前部的腔室在径向上对所述光学整形系统中的一片透镜形成限位，在该透镜的前端面或后端面平行设置有透镜压板，透镜压板对应于透镜通光的区域为空，透镜压板配合相应的密封件密封所述透镜与通水结构件之间的缝隙；TEC的冷端、热端分别与光波导固定件后端面、通水结构件前端面贴合并安装固定。

Description

一种基于高功率半导体激光器的医疗装置
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器医疗装置。
背景技术
目前，基于半导体激光器的医疗装置一般主要由光源、光学系统、水循环系统以及制冷系统等组成，如图1所示。
现有的产品的光源部分大多采用小功率或中等功率的半导体激光器叠阵，在QCW治疗模式下，需要较大的脉冲宽度才能达到治疗所必须的能量密度，才能起到治疗的效果，这样由于脉冲宽度较大，治疗起来用户会感到明显的疼痛感，甚至烫伤等现象。而之所以很少见到采用高功率半导体激光器叠阵作光源部分，除了成本因素外，更重要的是出于对产品的体积和重量方面的考虑。
首先，目前产品的水循环系统和制冷系统的结构设计存在制冷路径和散热路径过长的问题。
其次，目前产品的光学系统大多采用一根光波导、光波导加窗口玻璃或者两段光波导的形式，这样虽然也能实现均匀光斑输出的目的，但是往往为了实现均匀光斑而不得不加长光波导的长度，使产品的体积和重量增加。这样在治疗时会对治疗人员造成一定困难，长时间拿取重物会造成手部酸胀，会影响治疗效果，同时体积过大也会造成操作困难等因素。
另外，现有的产品的光源部分大多是裸露的，外界的因素对于激光器来说影响非常大，比如灰尘等，而且产品自身的结露现象也会对激光器造成严重的影响。
发明内容
本发明提出一种基于高功率半导体激光器的医疗装置，大大减小了产品的体积和重量，并保证高功率下的稳定工作。
本发明的技术方案如下：
一种基于高功率半导体激光器的医疗装置，包括半导体激光器叠阵、光学整形系统、光波导、光波导固定件、TEC和通水结构件，所述光波导固定件沿光轴方向紧贴光波导的侧壁，并在光波导的后方外围形成径向延展的固定板，作为光波导固定件的后端面；所述通水结构件整体沿光轴方向具有中心贯通的腔室，循环水通道设置于通水结构件本体的内部；
所述通水结构件沿光轴方向划分为前部和后部，其中通水结构件后部的腔室容置固定所述半导体激光器叠阵；通水结构件前部的腔室在径向上对所述光学整形系统中的一片透镜形成限位，在该透镜的前端面或后端面平行设置有透镜压板，透镜压板对应于透镜通光的区域为空或为透明材质，透镜压板配合相应的密封件密封所述透镜与通水结构件之间的缝隙；所述TEC的冷端、热端分别与光波导固定件后端面、通水结构件前端面贴合并安装固定。
在以上方案的基础上，本发明还在结构上作了以下重要优化：
光学整形系统包括沿半导体激光器叠阵出光方向依次设置的D型透镜组、平凸柱面镜以及平凹柱面镜，其中D型透镜组由若干个D型透镜组成，分别安装于半导体激光器叠阵的每一行发光单元前端；平凸柱面镜即被通水结构件前部的腔室在径向上限位；平凹柱面镜位于光波导的后端面，并在径向上被光波导固定件限位固定。
半导体激光器叠阵的前端面分为发光区和非发光区，其中发光区位于中部，非发光区处于发光区的外围；通水结构件前部的腔室的径向尺寸小于通水结构件后部的腔室的径向尺寸，使得半导体激光器叠阵的非发光区在轴向上被通水结构件前部的腔室限位。
通水结构件本体的前部相对于后部具有径向延展的固定板，循环水通道经过通水结构件本体的前部及其径向延展的固定板；该固定板与所述光波导固定件的固定板相适配，并在两者之间连接固定TEC。
光波导固定件分为两个相同的组件，从两侧对光波导夹持固定；所述TEC共有两片，分别与这两个组件的后端面适配安装。
光波导为四棱台的形式，光波导固定件紧贴四棱台的对称的两个侧面。
光波导固定件、TEC以及通水结构件通过螺钉依次连接固定。
透镜压板的前端面与光波导固定件后端面之间具有间隙，透镜压板的后端面与通水结构件前端面相接触(可以完全覆盖光波导固定件后端面、通水结构件前端面，使得三者外缘平齐；也可以部分覆盖，即透镜压板的尺寸略小一些，可在通水结构件前端面设置相应的台阶作为透镜压板的固定位置，也相当于透镜压板位于通水结构件前部的腔室)；透镜的前端面与通水结构件前端面平齐，透镜压板上对应于透镜前端面边缘的位置设置有密封圈凹槽，配合安装的密封圈密封所述透镜与通水结构件之间的缝隙。
对TEC的安装结构作相应的限位，具体有以下几种优选的方式：
1、透镜压板上光波导固定件后端面与通水结构件前端面之间的区域设置有贯通的TEC限位槽(透镜压板完全覆盖通水结构件前端面)；
2、在通水结构件前端面设置TEC限位凹槽；
3、在光波导固定件后端面设置TEC限位凹槽；
4、在通水结构件前端面和光波导固定件后端面均设置TEC限位凹槽，共同对TEC形成限位。
光波导采用蓝宝石材质；光波导的前端与光波导固定件的前端平齐，或者光波导的前端和光波导固定件的前端整体构成凸台结构。
本发明具有以下优点：
(1)光学系统中的其中一面透镜(例如平凸柱面镜)与通水结构件的前部配合密封圈共同形成了一个半包围的密封结构，有效预防了灰尘、颗粒、结露等现象对激光器所产生的影响，平凸柱面镜在此结构中不仅起到光束整形的作用同时还起到结构件的作用保护激光器；通水结构件在此系统中不仅起到为激光器、TEC提供散热的同时也保护了激光器，既节省了空间又合理利用了资源，使得整个产品的体积小、重量轻。
(2)设计透镜压板，既可以镶嵌密封圈又可以为TEC提供限位和保护作用，合理利用了资源和空间。
(3)采用三段式复合光学系统，有效的进行了光束整形的同时成功实现了均匀光斑的输出，并且此设计有效的缩短了产品的体积，减少了产品重量。
(4)基于本发明的结构设计，能够采用大功率半导体激光器作为光源，这样使用很小的脉冲宽度实现很高的能量密度，能够提高治疗时的能量密度，并且减少由于脉冲宽度过大而产生的疼痛感。
(5)采用两片大功率TEC双侧制冷，可以有效的缩短制冷路径并且提高制冷效率和制冷效果。
(6)使用两个光波导固定板夹持光波导的方式，给整个光波导进行制冷这样可以有效增加治疗时的制冷面积，并且增加了产品的热容，使外界温度变化不会对产品造成太大的影响，使产品可以长时间的保持高效的制冷状态。
(7)产品的前端部分可以拆换，从而能够改变光斑尺寸，具有很好的产品系列拓展性。
(8)采用大光斑方式进行能量输出，增加了单次治疗的面积，并且可以快速连续的进行治疗，提高了治疗效率。
(9)将光波导作为导光介质和与外界接触的唯一窗口，选用蓝宝石材质具有机械强度强、折射率高、热传导性能好的特点。
附图说明
图1为传统方案的示意图。图中：1-光源；2-光学系统；3-水循环系统；4-制冷系统。
图2、图3为本发明的三段式复合光学系统的示意图，其中图2为主视图，图3为俯视图。图中，
图4、图5为本发明的内部组装结构示意图，其中图4为主视图，图5为俯视图。
图6为通水结构件的示意图。
图7为本发明的整机安装的三部分结构示意图。
图8为透镜压板的主视图(主要体现了透镜压板上留出的TEC安装槽和快轴镜位置)。
图9为产品的线路连接示意图。
图2-图9中的标号说明：
1-前端模块；11-光波导；12-平凹柱面镜；13-光波导左固定板；14-光波导右固定板；
2-TEC；
3-后端模块；31-通水结构件；32-平凸柱面镜；33-D型透镜；34-激光器；35-快轴镜压板；3501-(设置于快轴镜压板上的)贯通的TEC限位槽；36-密封圈；37-快速接头；38-进水口；39-出水口。
具体实施方式
一、光源
本发明可采用高功率半导体激光器叠阵(功率瞬间可达1500W)，以较小的脉宽即可实现治疗所需的能量密度。
1)光学系统
a.光学方案
光学系统由D型透镜、平凸柱面镜、平凹柱面镜、蓝宝石光波导组成，如图2、图3所示，在光学系统中所起到的作用为：
①D型透镜：针对激光器的每一行发光单元进行快轴压缩；
②快轴镜(平凸柱面镜)：对经过D型透镜光束整形后的光束整体进行快轴压缩；
③慢轴镜(平凹柱面镜)：对经过快轴压缩过的光束再进行慢轴压缩；
④蓝宝石光波导：最后经过光波导的匀化作用，充分将光束打散、重组以达到均匀光斑输出的目的。
b.利用光学系统的结构设计实现防结露
使用快轴镜与通水结构件形成半包围结构用来保护激光器，并预防灰尘结露等现象对激光器造成损伤，如图4所示。由于激光器发光芯片属于极其脆弱的元器件，灰尘、污染、颗粒等均会对其造成不可逆转的灾难性损伤，所以保护激光器是方案设计中极其重要的环节。
①快轴镜压板：快轴镜压板上有方形密封圈凹槽，方形密封圈是用来密封快轴镜与通水结构件之间的缝隙。并且在快轴镜压板上还有TEC安装位置，可将TEC安装到指定的限位槽中，可以起到限位和保护TEC的作用。
②快轴镜(平凸柱面镜)：快轴镜在此结构中即可以起到光束整形的作用，也可作为结构件使用用来保护激光器。
③通水结构件：通水结构件在此机构中有两个作用，一是用来通冷却循环水为激光器和TEC制冷，二是作为结构件使用，与快轴镜共同形成半包围式结构用来保护激光器。
c.光波导的蓝宝石材质
此结构中光波导采用蓝宝石材质，蓝宝石材质作为匀化光斑和接触皮肤的媒介有以下优点：
①机械强度高：考虑到光波导与外界接触，所以优选蓝宝石光波导，避免光波导破损造成光学系统损伤进而导致整个系统失效的风险。
②折射率高：蓝宝石光波导具有很高的光学折射率，这样就可以起到非常好的光斑匀化作用，且高折射率能够很大程度上缩短光学系统的路径，有助于缩小整个系统的体积和重量。
③热传导性能强：由于光波导不仅要作为光学件起到光传导的作用，还要作为结构件与外界接触，并需要进行热传导。蓝宝石光波导具有这种高热导率的良好性能。
2)制冷水循环系统
a.制冷系统
两片TEC制冷：本方案采用两片大功率TEC双侧制冷，可以有效的缩短制冷路径并且提高制冷效率和制冷效果，如图4、图7所示。
光波导冷却：采用两个光波导固定板夹持光波导进行热传导，对光波导同步制冷。在治疗时可以有效增加制冷面积，并增加产品的热容，使外界温度变化不会对产品造成太大的影响，使产品可以长时间的保持高效的制冷状态，如图5所示。
b.水循环系统
本方案为TEC提供散热的通水结构件设计为半包围结构，既达到了制冷的目的，同时还与快轴镜共同形成对激光器的保护。这一独特的设计充分利用了资源、节省了空间，使得结构更加紧凑，如图6所示。
3)光斑尺寸可更换
如图7所示，本方案从结构上可以分割为相互独立的前端模块、TEC和后端模块，能够根据客户不同尺寸和形状的光斑需求，对前端模块(包含有光波导)进行替换，这样可以实现一个共平台的产品，具有很强的产品系列拓展性。图8为透镜压板的主视图(图7中水循环模块的左视方向)。

Claims (10)

1.一种基于高功率半导体激光器的医疗装置，包括半导体激光器叠阵、光学整形系统、光波导、光波导固定件、TEC和通水结构件，其特征在于：所述光波导固定件沿光轴方向紧贴光波导的侧壁，并在光波导的后方外围形成径向延展的固定板，作为光波导固定件的后端面；所述通水结构件整体沿光轴方向具有中心贯通的腔室，循环水通道设置于通水结构件本体的内部；
所述通水结构件沿光轴方向划分为前部和后部，其中通水结构件后部的腔室容置固定所述半导体激光器叠阵，通水结构件前部的腔室在径向上对所述光学整形系统中的一片透镜形成限位，在该透镜的前端面或后端面平行设置有透镜压板，透镜压板对应于透镜通光的区域为空或为透明材质，透镜压板配合相应的密封件密封所述透镜与通水结构件之间的缝隙；所述TEC的冷端、热端分别与光波导固定件后端面、通水结构件前端面贴合并安装固定。
2.根据权利要求1所述的基于高功率半导体激光器的医疗装置，其特征在于：所述光学整形系统包括沿半导体激光器叠阵出光方向依次设置的D型透镜组、平凸柱面镜以及平凹柱面镜，其中D型透镜组由若干个D型透镜组成，分别安装于半导体激光器叠阵的每一行发光单元前端；平凸柱面镜即被通水结构件前部的腔室在径向上限位；平凹柱面镜位于光波导的后端面，并在径向上被光波导固定件限位固定。
3.根据权利要求1所述的基于高功率半导体激光器的医疗装置，其特征在于：半导体激光器叠阵的前端面分为发光区和非发光区，其中发光区位于中部，非发光区处于发光区的外围；通水结构件前部的腔室的径向尺寸小于通水结构件后部的腔室的径向尺寸，使得半导体激光器叠阵的非发光区在轴向上被通水结构件前部的腔室限位。
4.根据权利要求1所述的基于高功率半导体激光器的医疗装置，其特征在于：通水结构件本体的前部相对于后部具有径向延展的固定板，循环水通道经过通水结构件本体的前部及其径向延展的固定板；该固定板与所述光波导固定件的固定板相适配，并在两者之间连接固定TEC。
5.根据权利要求1或4所述的基于高功率半导体激光器的医疗装置，其特征在于：所述光波导固定件分为两个相同的组件，从两侧对光波导夹持固定；所述TEC共有两片，分别与这两个组件的后端面适配安装。
6.根据权利要求5所述的基于高功率半导体激光器的医疗装置，其特征在于：所述光波导为四棱台的形式，光波导固定件紧贴四棱台的对称的两个侧面。
7.根据权利要求1所述的基于高功率半导体激光器的医疗装置，其特征在于：所述光波导固定件、TEC以及通水结构件通过螺钉依次连接固定。
8.根据权利要求1所述的基于高功率半导体激光器的医疗装置，其特征在于：所述透镜压板的前端面与光波导固定件后端面之间具有间隙，透镜压板的后端面与通水结构件前端面相接触，透镜的前端面与通水结构件前端面平齐，透镜压板上对应于透镜前端面边缘的位置设置有密封圈凹槽，配合安装的密封圈密封所述透镜与通水结构件之间的缝隙。
9.根据权利要求8所述的基于高功率半导体激光器的医疗装置，其特征在于：透镜压板上光波导固定件后端面与通水结构件前端面之间的区域设置有贯通的TEC限位槽；
或者，在通水结构件前端面设置TEC限位凹槽；
或者，在光波导固定件后端面设置TEC限位凹槽；
或者，在通水结构件前端面和光波导固定件后端面均设置TEC限位凹槽，共同对TEC形成限位。
10.根据权利要求1所述的基于高功率半导体激光器的医疗装置，其特征在于：所述光波导采用蓝宝石材质；光波导的前端与光波导固定件的前端平齐，或者光波导的前端和光波导固定件的前端整体构成凸台结构。
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