FGZ-8半导体激光治疗机设计与研制

　　1　引　　言

　　近年来,国内外半导体激光器的研制进展迅速,其输出波长从近红外向红、绿、蓝可见光段扩展,输出功率不断增加,可靠性,稳定性也不断提高。迅速拓展半导体激光器在生物医学领域的应用,是国内外高科技领域关注和竞争的热点。在众多波长的半导体激光中,红色波段在理疗、针灸以及激光遗传育种等领域应用最为广泛。但目前波长为650nm至630nm的红色半导体激光器输出功率较低,价格较昂贵。因此,我国医学临床现采用的650nm半导体激光治疗仪的实际输出功率仅为10mW至30mW左右,而且大多采用直接输出,光束质量不理想,这极大地限制了仪器的应用范围。为此研制出具有百毫瓦功率输出的红色半导体激光治疗机,并开拓其在生物医学领域的新应用。

　　2　整机总体设计

　　根据多年来红色激光在我国临床各科的应用情况,以及红色半导体激光器的商品化状况,对研制的治疗仪的总体要求是:采用输出红色辐射的新型半导体激光器件,输出光斑应为圆光斑;采用光导纤维输出;光纤输出端功率超过100mW;设计制作方便适用的光纤定位装置;此外,应优化光、机、电系统设计,使整机具有好的性能价格比。

　　根据总体要求,首先应选择半导体激光波长。目前,采用应变量子阱技术研制的红光LD已实用化,其波长主要有635nm与650nm。采用AlGaInP材料制作的35～50mW的650nm半导体激光器的价格已能为用户承受,而同等功率的635nm半导体激光器价格要高得多。又根据组织光学的研究1],650nm红色激光对人体组织的穿透深度优于632.8nm的激光,将其用于理疗、针灸的效果将优于632.8nm红色激光。因此,650nmLD成为首选激光器。但是,由于LD激光输出的扁椭圆光斑必须整形为圆形光斑,才能应用于临床,这一过程可能会损失20%～30%的激光能量,所以仅利用一只功率为30～50mW的LD,无法满足设计要求。本机的解决方法是采用二只以上的LD激光器,配以相应的光纤系统,以确保较大的输出功率。

　　3　整机光学系统

　　3.1　总体光路

　　为实现整机总体设计要求,采用多路分叉光纤耦合。图1为三路合一光纤耦合系统示意图。图中LD1,LD2,LD3发出的激光分别通过光耦合器A,B,C进入三合一光纤,最后从光纤O端输出,LD1,LD2,LD3可以根据用户需要分别采用不同功率的激光器组合,从而可从O端输出不同功率的半导体激光,本系统的最大输出为:(W1+W2+W3)×η1×η2。其中:W1、W2、W3为激光器输出功率,η1为光耦合器耦合效率,η2为导光系统的导光效率(光纤总长度设定为1.5m)。

　　3.2　光纤耦合系统

　　由于半导体激光器输出激光的发散角在横纵向相差三倍左右,它与光纤的耦合是应当考虑的重要问题,有多种方法可以采用,其中自聚焦透镜光耦合系统(图2)是比较典型的一种[2]。图2中LD发出的激光经过LD封装玻璃B、自聚焦透镜S,再进入光纤。在该系统中l1为S1、S2、S3之和,l1可视为物距,l2为像距。从而以LD为发光点,以光纤接收端为像点的物像关系为: