ВОЛОКОННО-ЛАЗЕРНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК H01S3/05 

Изобретение относится к лазерной технике, а более конкретно, к лазерам с волоконным выводом излучения и активным элементом из кристаллических или аморфных твердых веществ, в которых применяется оптическая накачка, и может быть использована в медицинских установках для резки, коагуляции и нагрева биотканей лазерным излучением.

В настоящее время широко применяются для хирургических, терапевтических целей при лечении различных заболеваний лазерные медицинские установки с волоконным выводом излучения, например, установка "Радуга-1" Ульяновского радиолампового завода (Лазерная техника и оптоэлектроника, М. 1992, вып.1-2, с. 9), которая содержит, связанный с блоком управления и с охлаждающей системой лазер, излучаемая энергия которого канализируется в кварц-полимерных волоконных световодах и по ним транспортируется потребителю.

Оптический разъем, узел стыковки лазера и световода, содержит фокусирующую линзу, неподвижно установленную во втулке, соосной оптической оси излучения лазера, внутри которой с возможностью угловых качаний (посредством винтов, шарового шарнира и т.п. юстировочных механизмов) смонтирован держатель оптического волокна, торец которого размещается в фокальной плоскости для максимального приема энергии, генерируемой лазером (например, патенты Великобритании N 2076993, 1980; ФРГ N 2918024, кл. G 02 B 7/26, авт. св. N 1157960, 1986, кл. G 02 В 6/42). Пучок излучения лазера фокусируется соосно в центр входного торца волоконного световода.

Недостатками описанного устройства является сложность настройки, юстировки и эксплуатации, потому что юстируется блочная часть разъема, к которой при стыковке прилагаются механические усилия, а также высокая опасность поражения больных и операторов лазерным излучением в случае включения устройства при неприсоединенном световоде, которое не блокируется технологически.

Известно устройство, описанное в статье Минаева В.П. и др. Резонаторы лазеров с низкой чувствительностью к разъюстировкам зеркал. Вопросы радиоэлектроники, 1990, вып. 17, с. 44-55, выбранного авторами в качестве прототипа, которое содержит лазер, где выходное зеркало установлено на поворотном основании, что повышает функциональные возможности, так как за счет управления угловым положением выходного излучения выставляется оптическая ось выходное зеркало приемное устройство без специального юстировочного механизма.

К лазерной части оптического разъема присоединяется его съемная часть, с закрепленной в ней фокусирующей линзой, в фокусе которой установлен конец волоконного световода, монтируемого накидной гайкой.

Лазер содержит двухзеркальный плоскопараллельный оптический резонатор, в котором расположен активный элемент, один торец которого плоский, а другой выпуклый сферический с радиусом кривизны, равным R (d + 2S)(n₀-1)/2n₀, где d и S соответственно длины накачиваемой зоны активного элемента и его ненакачиваемого концевого участка со стороны торца выпуклого, n₀ показатель преломления в активном элементе. Активный элемент помещен в узел оптической накачки, обеспечивающий непрерывную либо импульсивно-периодическую накачку.

Расстояние от зеркал резонатора до торцов активного элемента связаны определенным соотношением с размерами активного элемента и величиной фокусного расстояния термической линзы в нем. При этом зеркало со стороны выпуклого торца оказывается расположенным на малом удалении от активного элемента, что позволяет разместить активный элемент и это зеркало в едином компактном жестком узле.

Выбранная конфигурация активного элемента и резонатора обеспечивает малую чувствительность параметров генерации к флуктуациям термической линзы в активном элементе, а также к разъюстировкам зеркала, расположенного со стороны плоского торца. Малая чувствительность и разъюстировка этого зеркала (без потери мощности допускается до одного градуса) обеспечивает устойчивость лазера к механическим возмущениям, а также позволяет управлять угловым положением выходного излучения путем поворотов указанного зеркала при использовании его в качестве выходного.

Недостатком известного устройства является опасность поражения лазерным излучением оператора при отсоединенной съемной части оптического разъема и необходимость адаптирующего приемного устройства с фокусирующей линзой, направляющей выходной световой пучок лазера в торец серийного волоконного световода, установленного в ее фокусе, что усложняет конструкцию и обслуживание при эксплуатации установки персоналом.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание конструктивного блокирующего устройства, которое автоматически при отсоединении съемной кабельной части от лазерной обеспечивало прекращение генерации излучения. Устройство должно быть простым и надежным в наладке и эксплуатации, пригодным для использования любых серийно выпускаемых волоконных устройств без переходников.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном волоконно-лазерном устройстве, содержащем, помещенный между двумя плоскими зеркалами в связанном с блоком управления, охлаждаемом узле накачки, активный элемент с выпуклым сферическим торцом, плоский торец которого обращен к выходному зеркалу, установленному в узле юстировки, фокусирующую линзу и оптический разъем, в съемной кабельной части которого закреплен волоконный световод, согласно изобретению, в лазерной части разъема смонтированы фокусирующая линза и связанная с блоком управления оптопара, между элементами которой размещен отражающий корпус кабельной его части.

Отличительные признаки обеспечивают, во-первых, блокировку генерации излучения при разомкнутых лазерной и съемной кабельной частях оптического разъема, чем гарантируется безопасность эксплуатации устройства, так как исключена возможность случайных облучений непосредственно лазером, а, во-вторых, адаптацию нечувствительной к разъюстировке зеркал со стабильным излучением лазерной части к различным существующим в производстве и эксплуатации волоконным световодам без механизмов взаимоюстировки.

Каждый из существенных признаков изобретения сам по себе известен и не отличается новизной, но является необходимым для заявленной устойчивой совокупности, достаточной для проявления в новом качестве, которое создает положительный результат как эффект от их суммы, не присущий этим признакам в их разобщенности.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства; на фиг. 2 вариант расположения оптопары.

Лазер 1 содержит размещенные на одной оптической оси активный элемент 2 и два плоских зеркала 3 и выходное 4. Активный элемент 2 имеет плоский торец и, обращенный к зеркалу 3, сферический выпуклый с радиусом, определяемым однозначной зависимостью от основных технических характеристик лазера 1. Излучатель лазера 1 содержит узел 5 оптической накачки активного элемента 2. Коэффициент отражения зеркала 3 выбран близким к полному, а коэффициент отражения выходного зеркала 4 оптимальным с точки зрения получения требуемой мощности излучения. Зеркало 4 установлено в юстировочном узле 6, осуществляющем наклоны зеркала 4 относительно плоскости, перпендикулярной оптической оси.

Узел 5 накачки охлаждается дистиллированной водой от системы 7 и управляется блоком 8 контроля и управления. Оптический разъем устройства образован лазерной частью 9, закрепленной на излучателе, и сочлененной с ней съемной кабельной частью 10, которая фиксируется в упор накидной гайкой. При этом входной конец волоконного световода 11, укрепленного в кабельной части 10, устанавливается в фокусе линзы 12, которая смонтирована в лазерной части разъема 9 на оптической оси излучателя 1.

В лазерной части 9 разъема смонтирована оптопара: светодиод 13 и фотодиод 14, совмещенный выход приемопередающих равнонаклоненных каналов 15 которых размещен над блестящей отражающей поверхностью втулки кабельной части 10. Оба элемента оптопары 13-14 связаны с блоком 8 управления. Вариант конструктивного выполнения оптопары, когда светодиод 13 и фотодиод 14 диаметрально расположены в лазерной части 9 разъема изображен на фиг. 2.

Работает устройство следующим образом. Пристыковкой кабельной части 10 к лазерной части 9 разъема замыкается оптическая связь (посредством отражающей поверхности втулки кабельной части 10) между светодиодом 13 и фотодиодом 14, или размыкается в случае диаметрального расположения элементов оптопары 13-14 (фиг. 2). При этом электрический сигнал с фотодиода 14 поступает в блок 8, включая питание исполнительных блоков.

Регулировкой юстировочного узла 6 добиваются совмещения сфокусированного лазерного излучения с торцом входного конца волоконного световода 11. Разрешающим сигналом фотодиода 14 подается рабочая мощность в узел 5 накачки. Энергия от внешнего источника преобразуется в узле 5 накачки в световоде излучение, которое направляется в активный элемент 2. Поглощение светового излучения в активном элементе 2 проводит к усилению оптического излучения. При этом зеркала 3 и 4 обеспечивают положительную обратную связь, достаточную для поддержания генерации рабочего излучения. Выходное излучение фокусируется линзой 12 во входной торец волоконного световода 11, по которому излучение транспортируется к потребителю.

Предложенный лазер малочувствителен к разъюстировкам зеркала 4 и допускает управление угловым положением выходного пучка линзы 12 в пределах ±1^o посредством соответствующего поворота юстировочным узлом 6 зеркала 4.

В случае, когда кабельная часть 10 не состыкована с лазерной частью 9 разъема, световой поток диода 13, не встречая отражающей поверхности втулки, поступает внутрь лазерной части 10. В конструктивном варианте выполнения оптопары фиг. 2 втулка кабельной части 10 перекрывает оптическую связь между элементами 13-14 оптопары.

При этом фотодиод 14 не вырабатывает управляющего сигнала и блок 8 не включает рабочего питания узла 5 накачки. Вы результате лазер не генерирует излучения. Таким образом осуществляется блокировка работы устройства при расстыкованном оптическом разъеме.

Практическая реализация предложенного устройства поясняется примером выполнения опытного образца. Активный элемент 2 лазера выполнен из кристалла АИГ: Nd³⁺ размером 4х65 мм. Накачиваемая зона имеет длину 60 мм в центральной части активного элемента 2, ненакачиваемые концевые участки длину по 2,5 мм с каждой стороны. Один торец активного элемента 2 плоский, другой выпуклый сферический с радиусом кривизны, равным 14,5 мм. Торцы активного элемента 2 просветлены на длину волны 1,06 мкм. Накачка активного элемента 2 осуществляется равномерно по длине его накачиваемой зоны с помощью дуговой лампы ДНП-6/60. Активный элемент 2 и лампа накачки помещены в кварцевый моноблочный осветитель и все вместе в корпус квантрона К-301А (узел 5 накачки). В качестве зеркал 3 и 4 использованы диэлектрические зеркала с коэффициентами отражения 86% и 99% соответственно.

Расстояние от выходного зеркала 4 до плоского торца активного элемента 2 составляет 20-40 см, а соответствующее расстояние от зеркала 3 до выпуклого торца равно 1,7-1,8 мм. При этом общая длина резонатора составляет примерно 30-50 см. Охлаждение активного элемента 2, лампы и осветителя (узла 5 накачки) осуществляется дистиллированной водой с общим расходом 10-20 л/мин.

Оптопару 13-14 составляют светодиод ЗЛ129А и фотодиод ФД256.

Линза 12 с фокусным расстоянием 20 мм установлена в лазерной части 9 оптического разъема. В фокусе линзы 12 размещен торец волоконного световода 11 с диаметром светонесущей жилы 0,6 мм.

Устройство генерирует излучение с длиной волны 1,06 мкм и мощностью 1-10 Вт, которое практически без потерь по световоду 11 транспортируется к потребителю, в частности, для гипотермии (43-45^oC) онкологических клеток, погибающих от воздействия повышенной температуры.

Опытный образец устройства находится на клинических испытаниях в Московском научно-исследовательском институте диагностики и хирургии (МНИИДиХ) Министерства здравоохранения и медицинской промышленности Российской Федерации (МЗМП РФ).

Рабочая документация по предложенному изобретению корректируется по результатам проводимых испытаний с целью подготовки к серийному производству по заказу лечебных организаций.

Использование: изобретение относится к лазерной медицинской технике с волоконным выводом излучения, которая предназначена для резки, коагуляции и нагрева биотканей. Сущность: устройство содержит лазерный излучатель, между плоскими параллельными зеркалами которого на общей оптической оси установлен активный элемент с выпуклым сферическим торцом. Плоский торец активного элемента обращен к выходному зеркалу, установленному в юстировочном узле. Активный элемент установлен в узле накачки, связанном с блоком управления и системой охлаждения. В лазерной части оптического разъема закреплены фокусирующая линза и диодная оптопара, связанная с блоком управления. Между элементами оптопары размещена отражающая втулка кабельной части разъема, несущая волокнистый световод, входной конец которого установлен в фокусе линзы, направляющей выходной пучок излучения. 2 ил.

Волоконно-лазерное устройство, содержащее помещенный между двумя плоскими зеркалами в связанном с блоком управления охлаждаемом узле накачки активный элемент с выпуклым сферическим торцом, плоский торец которого обращен к выходному зеркалу, установленному в узле юстировки, фокусирующую линзу и оптический разъем, в съемной кабельной части которого закреплен волоконный световод, отличающееся тем, что в лазерной части разъема смонтированы фокусирующая линза и связанная с блоком управления диодная оптопара, между элементами которой размещен отражающий корпус кабельной его части.