УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ПРОБИВКИ ОТВЕРСТИЙ В МАТЕРИАЛАХ Российский патент 2003 года по МПК B23K26/38 H01S3/08 A61B17/22 

Изобретение относится к области обработки материалов, а более конкретно к области лазерной пробивки отверстий в различных материалах, в том числе в биологических тканях, таких как, например, сердечная мышца - миокард при операции лазерной реваскуляризации миокарда.

Известно устройство для пробивки отверстий в материалах, включающее лазер с возможностью работы в режиме импульсного излучения достаточной длительности и энергии, устройство фокусировки аксиально-симметричного пучка лазерного излучения в пятно достаточно малого размера на поверхность материала [1].

Механизм лазерной пробивки отверстий состоит в следующем:
1) лазерный луч нагревает дно отверстия, 2) материал на дне отверстия образует жидкую фазу, 2) жидкая фаза нагревается до кипения, 3) пары, образующиеся в результате дальнейшего нагрева, своим давлением на жидкую фазу выдавливают ее со дна отверстия наружу, далее процесс повторяется циклически до полной пробивки отверстия.

Недостатком известного устройства, принятого нами за прототип, является то, что при лазерном воздействии на материал происходит нагрев не только дна отверстия, но также и нагрев боковых стенок отверстия. Кроме того, происходит нагрев лазерным излучением испарившегося материала или его капельно-жидкой фазы, вылетающей от дна отверстия наружу и передача поглощенного тепла стенкам отверстия. Вследствие этого:
1) значительная часть мощности падающего излучения тратится на нагрев боковых стенок отверстия, в результате чего уменьшается глубина отверстия и его кинжальность, т.е. отношение глубины отверстия к его диаметру,
2) увеличивается тепловое воздействие лазерного излучения на материал, поскольку тепло, поглощенное боковыми стенками, не выбрасывается вместе с жидкой фазой из отверстия наружу, а остается в обрабатываемом материале. Перегрев материала приводит к нарушению формы отверстия, разупрочнению стенок отверстия, что ограничивает область применения способа пробивки.

3) В случае пробивки биологических тканей, например мышцы сердца человека при лазерной реваскуляризации миокарда, нагрев боковых стенок пробиваемых отверстий приводит к повышенному некрозу стенок отверстий и сопутствующему воспалительному процессу, что в свою очередь приводит к снижению эффективности процедуры реваскуляризации.

Задачей изобретения является увеличение эффективности процесса пробивки, увеличение глубины пробиваемого отверстия и его кинжальности, снижение теплового воздействия на материал, снижение поводок и разупрочнение материала, а в случае пробивки биологических тканей уменьшение некроза тканей вблизи стенок отверстий, уменьшение воспалительных процессов при заживании.

Устройство для лазерной пробивки отверстий поясняется чертежом.

Устройство для лазерной пробивки материалов включает (чертеж) лазерную установку 1 с возможностью формирования импульса излучения, включающую резонатор 2, гибкую систему транспортировки излучения 5, фокусирующий объектив 6 (линза), отличается тем, что лазерная установка снабжена селектирующим элементом 3, расположенным внутри резонатора, выделяющим азимутальную моду поляризации 4. Лазерный пучок, поляризованный азимутально 4, фокусируется линзой 6 на образец из нужного материала 7, пробивая в нем глубокие отверстия 8.

Азимутально поляризованное излучение обладает тем свойством, что в каждой точке лазерного пучка поляризация является линейной, причем вектор поляризации во всех точках ориентирован перпендикулярно радиусу, проведенному из оси пучка, к этой точке [2, 3]. При падении под скользящим углом на боковую стенку отверстия излучение, в каждой точке линейно поляризованное перпендикулярно плоскости падения луча на стенку (азимутально поляризованное излучение), поглощается в меньшей степени, чем излучение, поляризованное в другом направлении, например параллельно плоскости падения (радиально поляризованное излучение), или излучение, которое в каждой точке пучка имеет круговую поляризацию.

Пробивка отверстий азимутально поляризованным излучением приводит к уменьшению нагрева боковых стенок и вследствие этого к решению поставленной задачи.

Отметим, что излучение, имеющее фиксированную линейную линейную поляризацию во всем пучке в результате несимметричного поглощения излучения на боковых стенках, формирует несимметричные, некруглые отверстия, что часто является неприемлемым. Излучение, имеющее круговую поляризацию в каждой точке пучка, формирует круглые отверстия, но эффективность пробивки снижается и увеличивается нагрев боковых стенок отверстия.

В работах [2] показано, что азимутально поляризованным может быть пучок, который является гауссовым пучком первого порядка по угловому индексу и произвольного по радиальному индексу вида ТЕМ_1N. Согласно [3] азимутально поляризована также и волноводная мода полого волновода вида TE_0N, а моды вида TM_0N являются радиально поляризованными, т.е. максимально поглощаются стенками металлических отверстий.

Селектирующим элементом азимутальной поляризации может являться заднее зеркало резонатора, на отражающую поверхность которого нанесена решетка в форме концентрических окружностей. Механизм селектирующего действия концентрической решетки заключается в том, что лазерный пучок с аксиальной поляризацией имеет больший коэффициент отражения, чем, например, пучок с радиальной поляризацией. Изготовляться такое зеркало-решетка может, например, методом химического травления с помощью фотошаблона с нужным концентрическим рельефом поверхности. Для увеличения селектирующей способности зеркала с решеткой оно либо любое другое зеркало резонатора может быть выполнено также с осевым отверстием или с пониженным коэффициентом отражения в приосевой области.

В том случае, когда лазерная установка является газовым многотрубчатым волноводным лазером [4] , имеется дополнительное преимущество, связанное с тем, что излучение, поляризованное азимутально (мода TE₀₁) имеет минимальные потери при распространении по круглому полому стеклянному волноводу, почти такие же, как и основная мода ЕН₁₁. Таким образом, азимутально поляризованная мода TE₀₁ может сама селектироваться полым стеклянным волноводом. При этом реализуется пространственная структура излучения - мода типа TE₀₁, которая на выходе из лазера преобразуется в гауссов пучок типа ТЕМ₁₁. Мода TE₀₁ имеет низкие волноводные потери и большой коэффициент заполнения волновода светом и, поэтому волноводный лазер, генерирующий излучение на этой моде, имеет достаточно большую эффективность.

Однако поскольку эффективный коэффициент усиления в волноводном лазере несколько выше для основной моды ЕН₁₁, чем для азимутально поляризованной моды TE₀₁, то для выделения азимутально-поляризованной моды необходимо ввести потери в основную моду генерации.

Азимутально-поляризованная TE₀₁ или ТЕМ₁₀ мода имеет распределение мощности такое, что вблизи оси реализуется нулевой минимум, а основная мода имеет вблизи оси максимум интенсивности. Внесение потерь в приосевую зону пучка приводит к резкому снижению добротности для основной моды, но к незначительным потерям для азимутально-поляризованной моды. Поэтому селекция азимутально-поляризованной моды может осуществляться с помощью одного из зеркал резонатора, на отражающей поверхности которого вблизи оси излучения создается существенно меньший коэффициент отражения, чем на остальной поверхности зеркала. Например, заднее зеркало резонатора имеет небольшое отверстие, причем ось отверстия совмещена с оптической осью резонатора. Другая возможность - изготовление одного из зеркал резонатора с отражающей поверхностью вблизи оси падающего на него излучения, имеющей коэффициент отражения меньший, чем на остальной его поверхности. Зеркалом с уменьшенным близи оси резонатора коэффициентом отражения может являться выходное полупрозрачное зеркало. В этом случае введение потерь в приосевую зону резонатора для селекции моды первого порядка по радиальному индексу не будет приводить к увеличению нагрева зеркал.

Источники информации
1. Технологические лазеры. Т. 1. Расчет, проектирование и эксплуатация. Гл. 3, п.14. Размерная обработка с помощью импульсно-периодических лазеров. /Под ред. Г. А. Абильсиитова. - М.: Машиностроение, 1991, с.346-348 - прототип.

2. V. G. Niziev, A.V.Nesterov. "Influence of beam polarization on laser cutting efficiency". J. Phys.D: Appl. Phys. 32 (1999), pp. 1455-1461.

3. Richard L.Abrams and Arthur N.Chester. "Resonator theory for hollow waveguide lasers". Applied Optics, vol. 13, No 9, pp. 2117-2125.

4. Забелин А. М. , Зеленов Е.В., Сафонов А.Н. Электроразрядный многотрубчатый лазер с диффузионным охлаждением газовой смеси. Патент 2097889, БИ 33, 1997 г.

Изобретение относится к области обработки материалов, а более конкретно к области лазерной пробивки отверстий в различных материалах, в том числе в биологических тканях, таких как, например, сердечная мышца - миокард при операции лазерной реваскуляризации миокарда. Лазерная установка с резонатором выполнена с возможностью формирования импульса излучения. Селектирующий элемент лазерной установки выделяет азимутальную моду поляризации, при которой в каждой точке лазерного пуска поляризация является линейной и перпендикулярной прямой, соединяющей данную точку и центр пучка. Поляризация оказывается всегда перпендикулярной плоскости падения излучения на боковую стенку отверстия. В результате реализуется минимальный нагрев боковых стенок отверстий. Это приводит к увеличению глубины отверстия, к уменьшению разупрочнения материала и к уменьшению термодеформаций заготовки. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для лазерной пробивки отверстий в материалах, включающее лазерную установку с резонатором, выполненную с возможностью формирования импульса излучения, гибкую систему транспортировки излучения и фокусирующий объектив, отличающееся тем, что лазерная установка снабжена селектирующим элементом, выделяющим азимутальную моду поляризации, при которой в каждой точке лазерного пучка поляризация является линейной и перпендикулярной прямой, соединяющей данную точку и центр пучка. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что селектирующим элементом является заднее зеркало резонатора, на отражающую поверхность которого нанесена решетка в форме концентрических окружностей. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лазерная установка является газовым многотрубчатым волноводным лазером, а селектирующим элементом является одно из зеркал резонатора с отражающей поверхностью вблизи оси падающего на него излучения, имеющей коэффициент отражения меньший, чем на остальной его поверхности. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что зеркало резонатора с отражающей поверхностью вблизи оси падающего на него излучения, имеющей коэффициент отражения меньший, чем на остальной его поверхности, является полупрозрачным выходным зеркалом. 5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что заднее зеркало резонатора, на отражающую поверхность которого нанесена решетка в форме концентрических окружностей, имеет небольшое отверстие, ось которого совмещена с осью резонатора.