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近红外大功率半导体激光治疗仪及其应用研究

作　者: 胡黎明
导　师: 王立军
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 凝聚态物理
关键词: 半导体激光医疗激光器光束耦合光束准直光热效应激光焊接
分类号: TN249
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

激光技术的产生和发展不仅为生命科学开辟了新的研究途径,给生物医学技术的研究带来了新的机遇和活力,而且为疾病的临床诊断与治疗提供了全新的手段,已经广泛应用于医学各领域。半导体激光器因其具有波长范围广、体积小、重量轻、效率高、寿命长、能光纤传输等特点,特别适合于医疗设备的制造,其临床应用几乎覆盖了所有其他类型激光的应用范围。近年来,半导体激光技术发展迅速,其医疗市场占有率也不断提升,有望成为主流医用激光,具有广泛的发展前景。本文重点讲述了大功率半导体激光治疗仪各个部分的研制,包括基于半导体激光器单管光束耦合技术的光纤耦合模块,激光器驱动电源,控制系统,传输系统等,同时对激光作用于生物组织所产生的热效应进行了分析,并对半导体激光应用于激光皮肤焊接进行研究。半导体激光器单管光束耦合技术是近些年发展的新技术,通过将多个半导体激光器输出光束准直、合成后耦合进单一光纤输出,具有系统散热简单、驱动电流小、寿命长、亮度高等优点,特别适合作为激光医疗设备的光源。本课题中,利用半导体激光单管光束耦合技术,通过光学、机械等各方面设计,分别研制出808nm和980nm光纤耦合模块,200μm、0.22数值孔径光纤输出功率都达到30W,应用于激光治疗仪光源。激光治疗仪的驱动电源采用了一种基于BatMod电池充电模块的恒流控制驱动电源,具有可靠、高效、小型化等优点。激光治疗仪的控制系统以ARM微处理器为核心,对激光参数的设置与输出进行精确控制,并且加入温度反馈控制系统实现对半导体激光器以及驱动电源工作温度的实时监测和控制。采用触摸屏控制方式,内设多个功能模块,使人机交换界面更具人性化。本文首次提出将980 nm和1064 nm半导体激光组合应用于皮肤组织伤口焊接,通过肉眼观察、病理学检测以及张力测试等方法对比研究了双波长激光焊接与单波长激光焊接以及传统缝线术的缝合效果。结果表明,980 nm激光与1064 nm激光组合焊接时,与传统缝线手术以及单波长激光焊接技术相比具有伤口愈合更快、更平整、更牢固等优势,是一种潜在的重要的伤口愈合方法,有待进一步深入研究以便应用于临床。本论文一共分为七章,第一章介绍大功率半导体激光器以及半导体激光治疗仪的研究发展现状;第二章介绍大功率半导体激光器的光束特性及热特性;第三章研究了大功率半导体激光光束耦合技术,详细阐述了半导体激光器单管光束耦合的设计、实验技术路线以及结果分析;第四章概述激光与生物组织之间的热相互作用机理;第五章详细描述了大功率半导体激光治疗仪的整体设计及其性能;第六章对近红外半导体激光应用于皮肤组织焊接的效果进行了实验研究;最后一章是总结与展望。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-14
第一章绪论  14-30
  1.1 大功率半导体激光器的发展与现状  14-18
  1.2 半导体激光在医学领域的应用  18-22
    1.2.1 医用激光技术发展及应用  18-20
    1.2.2 半导体激光在医学领域的应用  20-22
  1.3 半导体激光医疗市场分析与设备研制状况  22-27
    1.3.1 激光医疗市场分析  22-23
    1.3.2 半导体激光医疗设备研制状况  23-27
    1.3.3 半导体激光医疗设备研制的意义  27
  1.4 论文的主要研究内容和结构安排  27-30
第二章大功率半导体激光器特性研究  30-56
  2.1 半导体激光器的工作原理与特性参数  30-33
    2.1.1 半导体激光器的基本要素及工作原理  30-31
    2.1.2 半导体激光器的主要特性参数  31-33
  2.2 大功率半导体激光器热特性  33-45
    2.2.1 温度对半导体激光器特性影响  33-35
    2.2.2 大功率半导体激光线阵热特性分析  35-45
  2.3 大功率半导体激光器光束特性  45-51
    2.3.1 半导体激光束的传播特性  45-48
    2.3.2 半导体激光器的本征象散  48-49
    2.3.3 半导体激光器的光束半径  49-50
    2.3.4 半导体激光器的远场发散角  50-51
  2.4 半导体激光光束质量评价  51-55
    2.4.1 光束聚焦特征参数值BPP  52
    2.4.2 M~2 因子  52-53
    2.4.3 亮度  53-54
    2.4.4 影响半导体激光光束质量的因素  54-55
  2.5 小结  55-56
第三章大功率半导体激光光束耦合技术研究  56-92
  3.1 引言  56
  3.2 半导体激光非相干耦合技术  56-63
    3.2.1 半导体激光非相干耦合技术介绍  56-59
    3.2.2 大功率半导体激光器单管光束耦合技术  59-63
  3.3 半导体激光光纤耦合理论  63-69
    3.3.1 光纤介绍  63-65
    3.3.2 半导体激光与光纤耦合理论  65
    3.3.3 半导体激光光纤耦合效率的影响因素  65-69
  3.4 半导体激光器光束准直  69-80
    3.4.1 光束准直原理与方法  70-73
    3.4.2 光束准直效果影响因素  73-78
    3.4.3 半导体激光器快轴、慢轴准直镜设计  78-80
  3.5 半导体激光器单管光束耦合设计及实验  80-91
    3.5.1 半导体激光器单管光束耦合方案设计  80-86
    3.5.2 半导体激光器单管光束耦合实验与结果分析  86-91
  3.6 小结  91-92
第四章激光与生物组织相互作用  92-110
  4.1 引言  92
  4.2 生物组织的光传输理论  92-101
    4.2.1 光的反射与折射  93-94
    4.2.2 光吸收  94-95
    4.2.3 光的散射  95-97
    4.2.4 混浊介质  97-98
    4.2.5 生物组织内部光子传输理论  98-101
  4.3 激光与生物组织的热相互作用  101-104
  4.4 高功率激光作用下组织的传热模型  104-107
  4.5 半导体激光的生物组织效应  107-108
  4.6 小结  108-110
第五章大功率半导体激光治疗仪研制  110-130
  5.1 引言  110
  5.2 半导体激光治疗仪总体设计原理与系统结构  110-111
  5.3 激光光源及光学传输系统设计  111-121
    5.3.1 波长的选择  111-112
    5.3.2 激光器模块的选择  112
    5.3.3 光纤耦合模块设计  112-119
    5.3.4 激光传输系统  119-121
  5.4 半导体激光光源驱动电源设计  121-124
  5.5 控制系统以及人机交换系统设计  124-126
    5.5.1 温度反馈控制系统  124-126
    5.5.2 人机交换系统  126
  5.6 半导体激光治疗仪技术性能参数  126-129
  5.7 小结  129-130
第六章半导体激光焊接皮肤组织实验研究  130-150
  6.1 引言  130
  6.2 激光皮肤组织焊接实验目的与内容  130-132
  6.3 激光皮肤焊接实验材料与方法  132-137
    6.3.1 实验材料  132-134
    6.3.2 实验方法与步骤  134-137
  6.4 实验方案与结果分析  137-147
    6.4.1 双波长激光皮肤焊接与缝线手术对比试验  137-142
    6.4.2 双波长激光与单波长激光皮肤焊接对比试验  142-145
    6.4.3 激光皮肤焊接时组织温度测试试验  145-147
  6.5 讨论与小结  147-150
第七章总结与展望  150-154
  7.1 论文工作总结  150-152
  7.2 展望  152-154
参考文献  154-162
在学期间学术成果情况  162-164
指导教师与作者简介  164-165
致谢  165

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