一种医用半导体激光光疗系统的设计

　　1　引　言

　　光学疗法已经有很长的历史。激光医疗使光疗有了更为广泛和深入的发展,不仅提高了疗效,诊疗范围也大为扩展。目前,在医学大部分领域的临床实际中,激光被广泛使用。

　　在中功率及低功率激光治疗中,医疗的效果与激光辐射参数(即:激光剂量、照射时间等)有密切的关系,存在所谓的“剂量效应”[1]。激光剂量是指激光功率密度和照射时间的乘积。剂量效应具体表现为:激光的功率密度必须大于一个阈值才会产生疗效;存在一个最大剂量值,当实际使用的剂量大于这个最大值时,疗效会降低,甚至起反作用;在治疗过程中,应当逐渐适当加大剂量才能确保疗效。

　　与其他类型激光器相比,半导体激光器具有小型化,电流驱动,无需高压,使整机系统具有紧凑、安全、高效和容易控制的特点。但半导体激光器发出的激光发射角大,在垂直于结平面的发散角可达30°~40°,平行于结平面的发散角一般为10°~20°[2],因此,在离激光器不同距离处,激光功率密度有很大变化,医用激光器的功率和光束控制是系统设计时应着重解决的问题。本文对该系统的光束变换和驱动激光器的恒流电源进行了讨论。

　　2　激光束变换系统

　　2.1　半导体激光的远场图

　　激光束的空间模式由近场图和远场图来描述。在输出激光的解理面处的光强分布称为近场图;远场图是指以光束轴线为中心、到解理面的距离远大于其激光波长的空间上的激光功率分布,它与光束发散角θ的大小相关。光束的准直和聚焦系统就决定了远场图。对于边发射的半导体激光器,其内部发光区的波导结构通常是非圆形对称的,有源层的宽度比有源层的厚度大得多,所以,有源层截面相当于一个狭缝,利用狭缝衍射

理论,可以算出远场中任意一点P(x,y)处光波的电场E(x,y),再根据傅立叶变换可将E(x,y)表示为θ的函数,并且将激光器中的电场强度近似视为高斯分布,从而得到旁轴条件下当I(θ)/I(0)=1/2时的发散角θ:[2]：

　　其中:d是有源层的厚度,w表示有源层的宽度由于w比d大得多,可见激光束在横向的发散角θ⊥比侧向的发散角θ∥更大,激光束的远场图呈椭圆形。

　　2.2　光束准直和扩束

　　由于半导体激光器发出的光束是各方向发散角均很大的椭圆形高斯光束,为在使用时保证一定距离范围内激光功率密度相对恒定,必须对激光束进行变换。由于该系统是用于中功率以下的体外照射,主要考虑的指标是激光功率密度的相对恒定以及一定的光照面积,基于这一点,为降低系统的复杂程度,采用图1所示的光学系统进行激光的准直和扩束。