（物理电子学专业论文）医用cr4yag被动调q倍频ndyag长脉冲激光器的研究.pdf

中文摘要 皮肤盘管类疾病虽然不会蔻窖久静键康，帮会严重影响病入静生活簇量。猿 照“选择性光热解”理论，倍频n d ：y a g 激光是治疗鲜红斑痣等皿管类疾病最有 簸酶手羧。激光医学赛享有藏名的美莺藏承受医疗激竞实验室受炎夭r o x a n d e r s o n 在其1 9 9 5 年发表的论文中指出，治疗皮肤的胤管类瘸变需要脉宽可调 的激光，两最逡台治疗鬻要静怒在l 。l 令m s 藏强内的鬻调歇窕激光 7 1 。校蕹这 一治疗理论，我们设计了一台新型的c r + ：y a g 可饱和吸收被动调q 倍频 n d ：y a g 长脉；孛激光嚣，蠲子怼斑管类痰痰豹渗疗。圈绕这一漾题，重点遗厅了 以下几个方面的工作： l 、蘑述了激毙医疗疫默类疾痪熬极理一选择瞧先热瓣捧瘸玖瑟鑫警类疾瘫对激 光能量和脉宽方面的要求，并提出了多脉冲式宽脉冲的设计方粲。 2 、激巍器采震了e r 4 ：y a g 爨髂进耄亍被动獯q 。善囊对其霹锪秘吸收特性进行 了理论方面的推导与实验技术的研究，计算了其最佳初始透过率；然后运用被动 调q 速率方程，瓣蔼q 璩；串静蜂蓬功警，琢渖l 量秘躲宽进行了理论诗算，与 实验中所得到的数据进行了比较和分析，得到些对本课题有用的结论。 3 、设诗了一耪掰型豹开关稳滤妓氨灯硬燃电路。本套电路通过黠羧滚电阻豹稳 压来稳定氙灯的预燃电流，即可以稳定氚灯两端的电压，又解决了长脉冲过后因 滤波电察不够大嚣可能瞧埂戆氮灯媳灭瑰象，势且体积小，效搴裹，对电网电聪 的波动也有很好的调节作用。 4 、磅铡了i g b t 辑波搽，它具寿大电滚蹇频躲冲开关式的特点。该赣波器包摆 驱动模块m 5 7 9 6 2 l 的驱动单元，i g b t 时序控制单元、过流保护单元以及抑制过 冲电基的缓狰单元，该技术可以方便的调控激必爨豹输魍能量稠脉冲宽度。 关键词：激光医学 被渤调q 多脉冲式宽脉冲 预燃电源 c r ”：y a g 晶体 i g b t 斩波器 a b s t r a c t v a s c u l a rd i s e a s ed on o th a r mt op e r s o nh e a l t h ，b u ts e r i o u s l yi n f l u e n c et h eq u a l i t y o f p a t i e n t sl i v e s b a s i n go n t h et h e o r yo fs e l e c t i v ep h o t o t h e m o l y s i s ，t h eb e s tm e t h o d t ot r e a tv a s c u l a rd i s e a s ei sl o n g - p u l s e dd o u b l ef r e q u e n c yn d ：y a gl a s e r t h ed i r e c t o r o fw i l l m a nm e d i c a ll a s e rl a b ，r o xa n d e r s o n s ，w h oi saw e l l k n o w ns c i e n t i s ti nt h e l a s e rt h e r a p y c i r c l e ，p o i n t e do u ti nh i sp a p e r sw h i c hp u b l i s h e di n19 9 5 t h a tt r e a t i n gt h e v a s c u l a rd i s e a s en e e d st h el a s e rw h o s e p u l s ew i d t h i sa d j u s t a b l ea n df r o m1t o1 0 m si s m o s ts u i t a b l ef o rt r e a t i n g t t k an e wm e d i c a ll a s e ri sd e s i g n e df o rt r e a t i n gt h ev a s c u l a r d i s e a s e s o m ei m p o r t a n tr e s e a r c hr e s u l t sw e r ea c h i e v e di nt h i st h e s i sa sf o l l o w i n g s ： 1 、t h e f o u n d a t i o n o f s k i n t h e r a p y w i t l l l a s e r s a n d t h e d e m a n do f l a s e r p a r a m e t e r w e r e e x p l i c a t e di nt h ef i r s tc h a p t e ra n d w e p u tf o r w o r d t h ei d e ao f m a n y * p u l s el o n gp u l s e l a s e r 2 、a p a s s i v eq s w i t c h i n gb y c ，+ ：y a g c r y s t a li su s e di no u rl a s e r i nt h et h e s i s w ed o s o m et h e o r e t i c a ld e d u c e i n ga n dt h es t u d yo f e x p e r i m e n t a lt e c h n i q u ef o ri t ss a t u r a b l e a b s o r p t i o na n df i g u r eo u tt h eb e s ti n i t i a lt r a n s m i t t i v i t y t h r o u g ht h ep a s s i v eq s w i t c h r a t ee q u a t i o n , t h e p e a kp o w e r 、p u l s ee n e n g y a n dp u l s ew i d t ha r ed e d u c e d ，w e a n a l y s e a n d c o m p a r e t h et h e o r e t i c a lv a l u ea n d e x p e r i m e n t v a l u e 。t h e ns o m eu s e f u lr e s u l t sa r e o b t a i n e d 3 、w ei n t r o d u c e sac u r r e n t - s t a b i l i z e d x e n o n - l a m ps i m m e rc i r c u i t ，t h e c i r c u i t s t a b i l i z e st h ec u r r e n ti nx e n o n - l a m pb ys t a b i l i z i n gt h ec u r r e n t l i m i t i n gr e s i s t a n c et o s t a l i l i z et h ev o l t a g eo f x e n o n - l a m pa n ds o l v e st h eq u e s t i o no fx e n o n l a m pc r u s h i n g o u ta f t e rt h el o n g p u l s el a s e r t h ec i r c u i th a st h ec h a r a c t e r so fs m a l lc a p a c i t y , h i g h e f f i c i e n g ya n d t h ea d j u s t i o no f e l e c t r i cn e t w o r k 。 4 、ai g b t c h o p p e r i sd e v e l o p e dt oa d j u s tl a s e r e n e r g ya n dp u l s ew i d t h ，w h i c hh a s t h e c h a r a c t e r so fs w i t c h i n gc o n t r o l l e dh i g h - c u r r e n th i g h - f r e q u e n c yi m p u l s e ，i n c l u d i n g d r i v ec i r c u i tw h i c hu s e s s l i gm 5 7 9 6 2 l ，s e q u e n t i a lc o n t r o l c i r c u i ta n dac u r r e n t f o l d b a c kc i r c u i ta n dc u s h i o nc i r c u i t 塔i 茑f o r 两e c t i o nt r a n s i e n t v o l t a g e 。 k e yw o r d s - l a s e r t h e r a p ym a n y - p u l s el o n gp u l s ec r 4 十：y a gc r y s t a l p a s s i v eq s w i t c h i n g s i m m e r i n g s o u r c ei g b t c h o p p e r 独创性声明 本人声明所星交的学位论文魁本人在导师攒导下谶行的研究工作和取得的 磺究残累，除了文申黪嬲翔瞎蠹注秘致潦之楚羚，论文巾不包含其毽大邑缀发表 戏撰写避的研究成栗，也不包含为获得基壅蠢楚或其他教宵机构的学位或证 书蠢佼梢避酶榜瓣。专敬闵工荦筝瓣丽悫薅本磷裟所骰静经群熏黻海已巍谂文串 作了明确的说明并表承了谢意。 学位论文佟喾签名：，移未斌签字料潮： 未。争零，嚣5 强 学位论文舨权使用授权书 奉学经逢文终者巍垒了舞鑫连蠢茎一番荚豫鼙、镬周擎谴论文熬缎定。 特授权拳鲞盘蹩可以将学位论文的全部或都分内容编入有关数据库进行检 索，并聚罔影印、综印溅摆毯等笈铡手段保存、范编以供查鬻鞠缮阕。瓣意举校 囱国家蠢荚部门躐极橡送交论文懿笈瘁终秘磁盘。 ( 保密豹学簸论文窳瓣密燕逶裰零授权浼麟) 譬位论文搀者签名：、9 未稼 导师签名：p f 毒出 签字疆鲻：2 0 口弦等# 胄强签字蠢裳：删挚攀1 冀目 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 激光医学是一门综合性学科。激光医学几乎是伴随着激光的发明而诞生的。 1 9 6 0 年世界上第一台激光器运转，1 9 6 1 年它就被用于医学领域一红宝石激光器 用于眼科的视网膜凝固治疗。就医学而言，激光技术不仅为临床的诊断和治疗提 供了全新的手段，而且为生命科学的内涵以及病变的发展和演化等开辟了新的研 究途径。1 9 8 1 年，世界卫生组织宣布激光医学是医学的正式学科之一。 激光是一束平行性很好、光能集中的相干光源，在医学上用于切割、烧灼、 照射等治疗方法。激光的单色性很好，正好适合于皮肤组织的选择性吸收，可选 择不同波长的激光对各种皮肤病、肿瘤或血管瘤等进行最有效的治疗。4 0 年来 激光技术的发展解决了医学中的许多难题：激光简化了眼底病的治疗方法；激光 角膜成型术成为视力矫正的最佳方法；激光光纤内窥镜使病人免除了开刀的痛 苦；激光革新了传统的显微技术：激光微束已经成为细胞融合、转基因、染色体 的操作工具，激光促进了分析细胞学的发展；用激光分选技术建立了世界上第一 个染色体库。现在，人类正在使用自己制造的激光来提示人类本身的生命奥秘， 高速定序脱氧核糖核酸( d n a ) 的分子结构。总之，激光技术在临床各科都有很多 的应用【2 1 。 1 1 激光医疗皮肤病的机理 激光治疗皮肤色素类疾病的理论依据是19 8 3 年美国的a n d e r s o n 和p a r f i s h 医生提出“选择性光热解”理论1 3 】。该理论的核心内容是：激光能量有选择地被 某些特定的组织成分吸收，通过热作用将这一类特定的组织成分破坏，而人体自 身的免疫系统把被破坏的组织吸收，从而达到治疗的目的。要实现选择性光热解， 激光必须满足3 个重要条件【4 j ： 1 、激光能作用到目标组织并充分地被目标组织吸收，而周围其它组织不吸收或 吸收很少因此周围其它组织不会产生热或产生很少的热量，而只在吸收光 的部位产生热效应。 2 、脉冲持续时间要小于每一日标结构被动冷却所需时间( 目标组织的热驰豫时 间) 。 3 、激光的能量密度或功率密度能够使目标组织达到足以使其破坏的温度。 天津人学硕士学位论文第一章绪论 当满足上述条件时，高功率的激光脉冲被病损组织选择性吸收，在脉冲作用 时间内热量来不及扩散到周围组织中，病灶组织被热解消除的同时，健康组织不 会遭到破坏。为了达到选择性光热作用，必须选用恰当的波长、脉冲宽度以及足 够的能量密度。如果采用的激光参数，包括波长和脉宽适当，皮肤上的目标便被 破坏，而附近组织不会有过多的热损伤。如果色团被照射的时间超过热驰豫时间， 或者如果所选波长不适当，热能将扩散到附近的正常组织，就可导致瘢痕或色素 沉着异常。因此，采用高能的脉冲激光系统，代替连续激光( c w ) 系统的优点就 显而易见了。组织吸收的光能转换为热能，而且随后迅速散发掉，治疗时间应该 小于或等于目标组织的散热时间。目标组织的散热时间就是组织降温的时间，它 与组织的直径的平方成正比。因此，小组织的散热时间比大组织的散热时间要短 的多，可以近似的认为散热时间( 秒) 与组织的直径( 毫米) 的平方成正比，一 个直径为0 1 m m 的组织的散热时间约为0 0 1 秒。为了达到破坏目标组织的目的 必须有足够的能量，因此当使用吸收较弱的激光波长、组织中的色素较少或者目 标组织在皮肤的较深部位时应该使用较高的能量密度。当治疗皮下组织时，激光 必须穿透表皮层，所以应该尽量的减少对表皮的伤害，从而减少由此引起的负面 效应。 1 2 激光对血管类疾病的治疗原理及本课题的提出 1 2 1 激光对皮肤病的治疗 至今国内外已经发展了 多种类型，多种波长的激光器 用于治疗皮肤色素类疾病。主 要有红宝石激光器、n d ：y a g 激光器、c 0 2 激光器以及染料 激光器等。由于皮肤组织对不 同波长的激光吸收不同( 图 1 1 ) ，所以激光能够穿透皮肤组 织的深度也有所不同。为了达 到不同的治疗目的，应选择相 图1 1 皮肤组织及色素对激光的吸收曲线 应波长的激光到达一定的组织 深度，产生预期的生物效应。这些激光器主要治疗以下疾病：( 1 ) 色素性疾病。 如太田痣、胎记、雀斑、老年斑、祛除纹身等；( 2 ) 血管类疾病。如鲜红斑痣、 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 斑管瘩、毛绣惑管扩张等。另外，激光穗成为嵇纹属、疆纹身、祛皱和长久性麓 毛的首选疗法。 生锈组织l 歉收激光髓量赢袭溪为各释激蠢生物学效成强l ，镪疆热效鹰、光傀 效应、压强效应、电磁场效应、生物刺激效应等。激光治疗中对皮肤起主要作用 麓是热效应帮嚣强效痤。熬效庭约凝理分为蔽救生蒸霸疆撞垒热，热效瘫对疫默 的作用表现为：热致凝嘲、热致气化、热致炭化、热致燃烧等。激光照射产生的 蘧强效蔽有舔秘；一释怒激竞本隽靛辐瓣疆力袋形成豹篷强：舅耱是激毙 乍嗣 于生物组织以后形成的气流反冲击、内部气化压和热膨胀造成的压强。激光脉冲 治疗色索类疾病，藏是悉强效纛蓬接嫠怒豹结聚，善走凌予强激是静热效应弓| 熬 的组织气化，气化后形成的压强效应将大的色素团块击碎，然尉被击碎的色素颗 粒蔹吞骥缓瑰罨噬，达到去除魏素戆嚣鹣。 n d ：y a g 激光器豳于其优越的性能在医疗激光器中占有重要的地位。 n d ：y a g ( 掺钕钇锫夏穗蕊) 磊钵蠢3 条弱最瓣荧必谱线，1 0 6 4 p m 谱线荧光最强， 是最常用的激光谱线。现有的n d ：y a g 激光治疗机的输出波长均为1 0 6 4 a m 。 1 0 6 4 a m 兹激光属于近缓乡 波羧，辩受默豹穿遴能力较强，摄攒选择搜炎热磐瑷 论，可以治疗较深层的色素疾瘸【6 1 0 1 2 2 激光在治疗血管性疾病中的应用 无论是氧合型血红爝自。逑是还原篷血红鬣自，对5 3 2n m 波长的激光均礴 极强的吸收作用( 5 3 2 n m 处于觑红蛋白的吸收峰，是治疗血管瘸变的理想波长) ， 因此倍频n d ：y a g 激光成为治疗血管瘸等血管类疾病最有效的手段。 与治疗色素性皮肤疾病截然不同，对于鲜缎斑痣、草莓状瓶管瘤、篼细血篱 扩张等斑管类痰病，我们是利用激光的热效应送行治疗。理想瀚治疗_ i 窭程应该蹩 这样：当病变部位的血红蛋白吸收了激光的能鬃，所产艇的热效应使觑管收缩凝 固，困缺氧，瘸交部位的血管会逐渐消褪，麸聪达至l 治疗蠢的。在治疗过程中， 不出现“紫癜”现象，并且尽凝减小对表皮组织的热损伤。 当激光作麓子盘氛蟹自时，如采脉宽过短( 弼5 8 5 船l 酌絷释激光，稼宽设 为0 5 m s ) ，由于高能嫩激光脉冲产生的机械性强力撕扯作用，将会产生爆破效 应，造成盎管酸袈，出凝“蘩藏”魂象，驮焉不能有效速将盘管封闭；爱之，熬 果脉宽过长，对周边组织的热损伤会过犬。造成表皮不必要的损伤。因此目标组 织静熟驰豫辩阏非常蠹簧，黯予不同静病交蠡织，萁骢豫对闺不弱，瘸寒演疗瓣 长脉冲激光的脉宽也不同。激光医学界享有盛名的美国威尔曼臌疗激光实验室负 责久r o xa n d e r s o n 在箕1 9 9 5 攀发表懿论文串糖赉，浚疗疫获鹣鑫警粪癌变震簧 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 脉宽可调翡激光，两最适合治疗需要的是在l ，l o 个m s 范匿内诱脉宽激竞。 要达到理想的治疗效果还要求满足以下两个条件【7 】： l 、脉冲能量赢：翔脉冲量不够裔，在使用大竞斑浍疗霹，麓曩密度更懿，对 毛绷舰管起不到热凝固的作用。 2 、治疗光斑大：蠢斑懿夫，l 、意接关系戮活疗的骞效馥。激竞程传递巅靶链盎骛 前鼹经过皮肤的其窀组织，会有散射、折射的发生。如果治疗光斑太小，则 会蠢缀大一帮分黪器量奁敬瓣或挢瓣孛羲失嚣莰意少量麓爨骜遮鞭霞毛缀澈 管。此时如脉冲能辍很高，则损失在传递过程中的光能就会对表皮造成热损 伤。大竞溅黪激蠢寐较易到运毛籀蛊警存在静帮挝，鼯疫膑袋深瑟，霹欧搽 证有较多的能量到达靶位m 管。 摄据蓍蘩嚣辩大学瓣属轰逮嚣院疫默瑟医黪激竞审心懿蕊藤姿释，不霜类型 的血管类疾病的治疗参数为【7 j ： 1 、鳝短斑痣：蠹予鲜黩褒痣魄攀莓获森海绦状盘蓍癣表浅，遐鬻选耩港疗参数 也较后者低，假也要根据不同年龄、性别、部位和个体反应调熬，我们通常采膈 静参鼗怒辣宽7 一1 0 m s ，竞斑3 4 m m ，麓量密度6 9 l 勉f ，菝率l 1 5 h z ， 冷却温艘4 5 5 5 。 2 、萃簿装盎餐瘴鞍海绵姨盘蛰瘗：戴秘器盘昝瘙魏麓餐选择稳对要大些，逶喾 脉宽1 0 m s ，光斑3 m m ，能量密度9 1 5 j e m 2 ，频率l - - 2 h z ，冷却温度4 5 - - 5 5 。谲整参数兹覆裂积鳝薤斑臻一样，主要投挺痰太熊茨壅辍踺调整。 3 、毛 ! 蹦血管扩张：对于较细的雹细血管扩张，苴径 鬈e 设透遵率 t = l ，l i n = 丸。丸，其中，= c h v 是激光功率密度，i n , = 1 8 6 x 1 0 “9 j 是单个 1 0 6 4 n m 波长党子钝量。这死令参数除了辏瓣寿鑫奄一致溯定是3 4 s 终，、 吼和t 的数值由于晶体生长的不同差别很大。按照张行愚等人的嶷验数据埘， c r 4 + ：y a g 鑫棼戆基态羧浚裁嚣咚= 4 。3 x t 0 。3 蝴2 ，激发态毅毅裁亵 吒= 8 2 x 1 0 。9 1 7 m 2 ，吸收消光比5 = 以= 5 2 4 ，而屯大小在皮秒量级。 设埯热鹣髂孛总豹糖子数密度或吸收杂质孛心浓度，芽近似霄埯= 玛+ t 2 e 在小信号情况下有怫ao ，琏mn o ，代入( 3 2 3 ) 式，积分得： ，= 厶e x p ( 一吒蜕) ( 3 2 5 ) 其中厶为激光进入晶体前的强度，为晶体厚度。檄据( 3 2 5 ) 式，小信号微分吸 收系数为： 筏= 咚氇 移。2 国 小信号透过率，即初始透过率为： 磊= e x p ( 毛丈) ( 3 2 - 7 ) 饱和水平下，可设也“n o ，吩* o 。此时的微分吸收系数为= o r n o ( 3 2 * 8 ) 饱和透过率为： z = 。冲一或携蒜) 2 _ 多) 1 7 天津大学硕士学位论文第三章c r 4 + ：y a g 被动调q 的理论分析 激发态吸收截面决定了，饱和时的剩余吸收大小。 如果泵浦光是连续的，或者是长脉冲( 相对于c r 4 + ：y a g 晶体的驰豫时间) ， 则各能级上的粒子数可以认为处于稳态。从而有型拿：型蛩：0 。根据( 3 2 - 1 ) d td t 式和( 3 2 - 2 ) 式可得： m = n ：织 ( 3 2 - 1 0 ) 由于饱和时对空间平均有n 。z n ：，代入上式得到饱和光强近似为： ，：上生( 3 2 1 1 ) o g 将c r 4 + ：y a g 的参数代入上式，计算得到l = 5 x 1 0 4 w c m 2 。 q 开关突变前后的q 值阶跃量或损耗阶跃值是描述q 开关的重要参数。 c r 4 + ：y a g 被动q 开关能够产生的损耗变化为： 三= 正一瓦= e x p ( 一o - - 0 1 ) - , x p ( - 盯, , d ) ( 3 2 1 2 ) 将占= c r g 吒代入上式，则有： 址- - ( t o ) ”一t o ( 3 2 1 3 ) 将j = 5 2 4 代入，可得： a l = ( 瓦) “5 ”一t o ( 3 2 1 4 ) 按此式计算得到的q 开关损耗阶跃量与初始透过率的关系如图3 2 所示。 从图3 2 可以看出，存在着恰当的初始透过率瓦一，使得q 开关在饱和前后 引入的腔损耗变化量为最大址p 。为寻得使最大的初始透过率，对( 3 2 - 1 4 ) 式两边对毛微分，并令之等于零，即等2 。 由上式可求得对应最大工的初始透过率为： 瓦一：j ( 去 ( 3 2 _ 1 5 ) 将此式代入( 3 2 - 1 3 ) 式，得到最大损耗阶跃量为： p “：( t o m “1 d ：- - t o “：6 击一占击( 3 2 - 1 6 ) 将占：5 2 4 代入( 3 2 - 1 5 ) 和( 3 2 - 1 6 ) 式，分别得到瓦= 0 1 2 9 和a l m “= 0 5 4 7 。 1 8 哭津大学顼攀燕论文第三耄c r ”：y a g 被劫遮豹理论分掇 从图3 2 可以看出，在 嚣一醛近，装a 下降0 。1 ， 对应的t o 下降到0 0 l 驴戏 增加到0 3 繇因此选取初 始透过率在l 。8 3 8 。7 甏这 个较宽的范围内的 c r 4 + ：y a g 晶体q 开关，都 麓褥到较大麴授耗调制球”。 倍频效率与峰值功率 成正比，c r 4 + ：y a g 晶体的 朔始透过率越接近五一，输 出激光的脉宽越窄，但是对c r 4 * ：y a g 晶体被动调q 来说，也不蹙说初始透遵率 越低就越好，因为c r 4 + ：y a g 晶体要想达到完全“漂囱”是非常圈难的，它饱和 时总存在一定的“残存”吸收，这就增大了腔内的损糕，对提高激光能量输出不 瓣。越是初始透过率低酶c r 4 + ：y a g 磊体越不容易瓷稻，也就对应较大静“残存” 吸收。另外，在其他一些激光器设计中为了提高q 熬复率也需蒙艇有较高初始 透过率的c r 4 + ：y a g 晶体。阑此，在选择c r 4 十：y a g 晶体时要根据自已系统的配鬣 _ 摹羹需要，综会考虑，逶：l 童试验褥妥舍逶瓣螽俸耱戆参数【2 孤。 3 3o r ”：y a 8 被动调0 速率方程及求解 为充分研究和利用c r 4 + ：y a g 晶体，对n d ：y a g 激光器的调q 特性进行理论 研究是必不可少的，研究激光器调q 过程的理论工具悬速率