МОЩНЫЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ПРИБОР Российский патент 2004 года по МПК H01S5/06 

Настоящее изобретение относится к лазерной технике и медицинской электронике, а более конкретно к лазерным приборам на основе лазерных диодов, которые могут использоваться в лазерной медицине для фотодинамической терапии, гипертермии, лазерной хирургии, обычно в сочетании со световодами.

Известен мощный лазерный прибор [Патент США №5675600 от 7.10.97 г., МКИ Н 01 S 3/00], содержащий лазерный диод, включающий встроенный фотоприемник контроля мощности диода, блок установки мощности излучения прибора, блок питания диода с модулем управления током диода, двухвходовой компаратор, имеющий сигнальный вход, соединенный с выходом фотоприемника лазерного диода, задающий вход (вход сравнения) и выход, соединенный со входом модуля управления током лазерного диода таким образом, что фотоприемник, двухвходовой компаратор и модуль управления током образуют цепь отрицательной обратной связи лазерного диода. Это позволяет регулировать и стабилизировать мощность излучения прибора.

Особенностью функционирования мощных лазерных диодов, работающих в непрерывном режиме при комнатной температуре и наиболее широко используемых в медицинской технике, является то, что максимальные значения их рабочего тока обычно не превышают удвоенного значения порогового тока возбуждения, то есть изменение мощности генерируемого диодами излучения от нуля до максимального значения происходит при изменении рабочего тока от порогового тока возбуждения до его удвоенного значения и, соответственно, мощности возбуждения диода от пороговой мощности возбуждения до ее удвоенного значения. Вследствие этого в диапазоне регулирования выходной мощности лазерного диода его эффективность изменяется от минимальной (близкой к нулю) до максимальной, равной примерно половине дифференциальной эффективности диода η₀.

Однако для многих применений недостаточно мощности, обеспечиваемой одним лазерным диодом. Для достижения необходимых уровней мощности излучения используют прибор на основе группы совместно регулируемых диодов [Патент США №5259380 от 9.11.93 г., МКИ А 61 N 5/06, Н 05 В 33/00], излучение которых оптически суммируется на объекте либо в магистральном световоде или световодном жгуте.

В лазерных приборах с совместным регулированием лазерные диоды по отношению друг к другу могут быть включены как параллельно, так и последовательно. Могут быть также использованы последовательно-параллельная или параллельно-последовательная схемы включения (при идентичности лазерных диодов они эквивалентны), например могут быть параллельно подключены несколько цепочек, каждая из которых содержит одинаковое число лазерных диодов.

Недостатки известного лазерного прибора обусловлены тем, что все лазерные диоды в нем регулируются и работают совместно и в одинаковом режиме вне зависимости от уровня выходной мощности лазерного излучения, который лазерный прибор должен обеспечить в данный момент. Поэтому при параллельной схеме включения пороговый ток прибора равен суммарному пороговому току всех лазерных диодов, а пороговая мощность - суммарной пороговой мощности. Эффективность генерации прибора изменяется от минимальной (близкой к нулю) при невысоких значениях выходной мощности до максимальной при значениях, близких к верхнему пределу мощности прибора.

Основной недостаток известного прибора связан с его недостаточно высокой эффективностью в тех случаях, когда прибор работает при невысоких по сравнению с максимально возможным уровнях мощности. Такие случаи встречаются достаточно часто; например, лазерные медицинские приборы для фотодинамической терапии, как правило, эксплуатируются в достаточно широком диапазоне значений мощности излучения даже за время одной терапевтической процедуры.

Кроме того, в таком лазерном приборе с совместным регулированием лазерных диодов во всех случаях, даже для обеспечения невысоких уровней мощности, приходится использовать большие значения тока, которые должны превышать суммарный пороговый ток всех лазерных диодов и составляют не менее половины максимального рабочего тока. Это приводит ко второму недостатку - выработке ресурса лазерных диодов и других компонентов прибора и снижению его долговечности.

Специфическим недостатком параллельной схемы включения лазерных диодов является также то, что при электрическом пробое одного из лазерных диодов (наиболее частый случай электрического выхода диодов из строя) этот диод, по сути, препятствует работе всего прибора, поскольку является для источника питания прибора "коротким замыканием", включенным параллельно всем остальным лазерным диодам (а если параллельная группа лазерных диодов представляет собой линейку лазерных диодов-чипов на общей подложке в одном корпусе, это приведет к выходу из строя всей линейки).

Кроме того, в такой схеме, как правило, может стабилизироваться либо напряжение питания, либо суммарный рабочий ток, но при этом не осуществляется стабилизация мощности каждого из лазерных диодов, а суммарная мощность будет в значительной мере зависеть от индивидуальных особенностей теплового режима каждого из диодов (последнее усугубляется еще и тем, что перегрев одного из диодов при параллельной схеме включения неизбежно приведет к перераспределению токовой и тепловой нагрузки и к повышению нагрузки как раз на этот диод).

Специфические недостатки параллельной схемы включения могут быть частично устранены при последовательной схеме включения группы лазерных диодов, также являющейся разновидностью схемы с совместным регулированием. При такой схеме включения токи всех лазерных диодов равны и их можно стабилизировать и совместно регулировать. Выход из строя одного из лазерных диодов из-за электрического пробоя ("короткое замыкание") при последовательной схеме включения и стабилизации суммарной мощности приводит к повышению нагрузки на остальные диоды, но при этом прибор остается работоспособным в достаточно широком диапазоне регулирования. Однако последовательная схема включения затрудняет монтаж группы лазерных диодов на хладопроводе (обычно металлическом), так как требует электрической изоляции от хладопровода корпусов и электродов всех диодов. Тем не менее, поскольку последовательная схема включения, как и параллельная, является схемой с совместным регулированием мощности лазерных диодов, при последовательной схеме включения не устранен главный недостаток параллельной схемы включения - суммарная пороговая мощность группы лазерных диодов равна сумме пороговых мощностей каждого из диодов, что снижает и эффективность лазерного прибора при эксплуатации, и его ресурс.

В основу изобретения положена задача повышения эффективности работы прибора во всем диапазоне значений мощности излучения, а также долговечности (ресурса работы).

Поставленная задача решается тем, что мощный регулируемый лазерный прибор, содержащий группу лазерных диодов, включающих встроенные фотоприемники контроля мощности диодов, блок питания диодов с модулями управления токов диодов, блок установки мощности излучения прибора с максимальным значением уровня задаваемой мощности, не превышающим суммы максимальных значений мощности всех лазерных диодов, двухвходовые компараторы, каждый из которых имеет сигнальный вход, соединенный с выходом фотоприемника соответствующего лазерного диода, задающий вход и выход, соединенный со входом модуля управления током соответствующего лазерного диода таким образом, что фотоприемник, двухвходовый компаратор и модуль управления током образуют цепь отрицательной обратной связи лазерного диода, дополнительно содержит дискриминатор уровней сигнала с количеством уровней, равным количеству лазерных диодов в приборе, имеющий вход сигнала и выходы сигнала в количестве, равном количеству уровней, и управляемый электронный коммутатор с управляющей цепью и сигнальными входами и выходами, число которых равно числу уровней дискриминатора, при этом вход дискриминатора соединен с выходом блока установки мощности излучения прибора, сигнальные входы электронного коммутатора соединены с выходами уровней дискриминатора, сигнальные выходы - с задающими входами компараторов, каждый выход коммутатора соединен только с одним его входом, номер которого задается управляющей цепью коммутатора.

Поставленная задача решается также тем, что лазерный прибор дополнительно содержит генератор сдвига номеров лазерных диодов, выход которого соединен с управляющей цепью управляемого электронного коммутатора.

Поставленная задача решается также тем, что генератор сдвига номеров лазерных диодов содержит вход запуска, соединенный с органом включения лазерного прибора

Сущность изобретения поясняется Фиг.1-4.

На Фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого лазерного прибора.

На Фиг.2 приведена зависимость мощности излучения (А) и эффективности (Б) генерации лазерного прибора-аналога с параллельным включением лазерных диодов (1) и предлагаемого в настоящем изобретении прибора (2) от мощности возбуждения. Для примера максимальная мощность лазерного прибора выбрана равной суммарной мощности восьми лазерных диодов.

На Фиг.3 приведена зависимость вклада каждого из диодов в суммарную мощность излучения лазерного прибора как функция от значения этой суммарной мощности.

На Фиг.4 приведена зависимость эффективности лазерного прибора от значения мощности излучения лазерного прибора-аналога с параллельным включением лазерных диодов (1) и предлагаемого в настоящем изобретении прибора (2).

Лазерный прибор (Фиг.1) включает в себя блок 1 установки мощности излучения лазерного прибора, группу лазерных диодов 2, включающих встроенные фотоприемники 3 контроля мощности лазерных диодов, дискриминатор уровней 4, двухвходовые компараторы 5, каждый из которых имеет сигнальный вход 6, задающий вход 7 и выход 8, соединенный со входом модуля 9 управления током соответствующего лазерного диода, управляемый электронный коммутатор 10, генератор сдвига номеров лазерных диодов 11 и блок питания 12.

Работа предлагаемого лазерного прибора осуществляется следующим образом.

Используя блок 1 установки мощности излучения лазерного прибора, оператор задает необходимый уровень мощности в виде пропорционального этому уровню электрического сигнала, поступающего на вход дискриминатора 4 с количеством уровней, равным количеству диодов 2 в приборе. С выхода каждого из уровней дискриминатора сигнал поступает на вход электронного коммутатора 10, а с каждого из выходов коммутатора сигнал поступает на задающий вход 7 одного из компараторов 5, выход 8 которого соединен со входом модуля 9 управления током одного из лазерных диодов. На сигнальный вход 6 компараторов 5 подается сигнал встроенного фотоприемника 3 соответствующего лазерного диода 2. При этом выход каждого из уровней дискриминатора 4 находится в цепи управления током только одного из лазерных диодов, который для данного включения задан ему управляющей цепью управляемого электронного коммутатора 10.

Для объяснения работы предлагаемого лазерного прибора рассмотрим, например, лазер на основе восьми лазерных диодов. С блока 1 установки мощности излучения лазера на вход дискриминатора 4 подается сигнал, превышающий, например, мощность двух лазерных диодов 2, но меньше суммарной мощности трех лазерных диодов 2 (для примера может быть взято значение 0,3 от максимального значения). С выхода первого (нижнего) уровня дискриминатора 4 на связанный с ним вход электронного коммутатора 10 поступает максимальный (полный) сигнал уровня. С выхода второго уровня дискриминатора 4 на связанный с ним вход электронного коммутатора 10 поступает максимальный (полный) сигнал уровня. С выхода третьего уровня на связанный с ним вход электронного коммутатора 10 поступает значение, равное примерно 0,75 максимального (полного) сигнала уровня. Сигналы с выходов четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого уровней на связанные с ними входы электронного коммутатора 10 равны нулю.

Каждый из входов электронного коммутатора 10 соединен только с одним его выходом, а каждый из выходов электронного коммутатора 10 подает сигнал на задающий вход 7 компаратора 5 в цепи управления током только одного лазерного диода 2. Соответственно, в цепи питания первого и второго лазерных диодов 2 будет протекать максимальный рабочий ток, его мощность генерации будет максимальной и эффективность тоже максимальной (равной η₀/2). В цепи питания третьего диода установится ток, соответствующий примерно 0,75 максимальной мощности генерации, эффективность генерации этого диода будет близка к η₀/3. Поскольку с выхода четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого уровней дискриминатора 4 на связанные с ними входы электронного коммутатора 10 поступают нулевые сигналы, в цепи питания четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого лазерных диодов 2 токи протекать не будут. Эти диоды не вносят вклад в суммарную мощность генерации лазерного прибора и не потребляют мощность возбуждения.

Эффективность генерации излучения предлагаемым лазерным прибором в предложенном примере составит примерно 0,9η₀, в то время как прибор-аналог, работающий по схеме с совместным регулированием мощности лазерных диодов, будет иметь эффективность 0,48η₀.

При длительной эксплуатации ресурс работы предлагаемого прибора оказывается выше по сравнению с прототипом. Это обусловлено тем, что в процессе эксплуатации имеют место разные значения уровня мощности лазерного прибора, и, соответственно, в целом ряде случаев эксплуатируются не все лазерные диоды, а только часть из них, соответственно, остальные не теряют ресурс. При этом ресурс дополнительно повышается, если эксплуатационная нагрузка (количество включений каждого из диодов в процессе эксплуатации) будет рандомизироваться (статистически усредняться) за счет того, что генератор сдвига номеров лазерных диодов 11, подключенный к управляющей цепи электронного коммутатора, будет при каждом включении изменять последовательность номеров лазерных диодов, коммутируемых с выходов первого, второго и т.д. уровней дискриминатора.

Повышение эффективности генерации в предлагаемом лазерном приборе снижает токовую и тепловую нагрузку на прибор в целом и его отдельные элементы, в частности на системы питания, стабилизации, охлаждения. Снижение нагрузки повышает ресурс работы этих элементов и, следовательно, дополнительно повышает ресурс работы прибора в целом.

Мощный регулируемый лазерный прибор на основе лазерных диодов может использоваться в лазерной медицине для лечения новообразований и других патологий.

Изобретение относится к лазерной технике и медицинской электронике, а именно к приборам на основе лазерных диодов. Мощный регулируемый лазерный прибор содержит группу лазерных диодов, встроенные фотоприемники контроля мощности диодов, блок питания диодов с модулями управления токов диодов, блок установки мощности излучения прибора. В состав прибора входят также двухвходовые компараторы, модуль управления током соответствующих лазерных диодов и управляемый электронный коммутатор с управляющей цепью. Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности работы прибора во всем диапазоне значений мощности излучения, а также ресурса работы. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Мощный регулируемый лазерный прибор, содержащий группу лазерных диодов, включающих встроенные фотоприемники контроля мощности диодов, блок питания диодов с модулями управления токов диодов, блок установки мощности излучения прибора с максимальным значением уровня задаваемой мощности, не превышающим суммы максимальных значений мощности всех лазерных диодов, двухходовые компараторы, каждый из которых имеет сигнальный вход, соединенный с выходом фотоприемника соответствующего лазерного диода, задающий вход и выход, соединенный со входом модуля управления током соответствующего лазерного диода таким образом, что фотоприемник, двухвходовый компаратор и модуль управления током образуют цепь отрицательной обратной связи лазерного диода, отличающийся тем, что прибор дополнительно содержит дискриминатор уровней сигнала с количеством уровней, равным количеству лазерных диодов в приборе, имеющий вход сигнала и выходы сигнала в количестве, равном количеству уровней, и управляемый электронный коммутатор с управляющей цепью и сигнальными входами и выходами, число которых равно числу уровней дискриминатора, при этом вход дискриминатора соединен с выходом блока установки мощности излучения прибора, сигнальные входы электронного коммутатора соединены с выходом уровней дискриминатора, сигнальные выходы - с задающими входами компараторов, каждый выход коммутатора соединен только с одним его входом, номер которого задается управляющей цепью коммутатора.2. Мощный регулируемый лазерный прибор по п.1, отличающийся тем, что прибор дополнительно содержит генератор сдвига номеров лазерных диодов, выход которого соединен с управляющей цепью управляемого электронного коммутатора.3. Мощный регулируемый лазерный прибор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что генератор сдвига номеров лазерных диодов содержит вход запуска, соединенный с органом включения лазерного прибора.