УСТРОЙСТВО УХОДА ЗА КОЖЕЙ НА ОСНОВЕ СВЕТА, ПРЕДОТВРАЩАЮЩЕЕ ЛИОП В ВОЗДУХЕ
DEVICE FOR SKIN LIGHT-BASED CARE THAT PREVENTS LIOB IN AIR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Это изобретение относится к устройству ухода за кожей на основе света, содержащему источник света, оптическую систему и прозрачное окно выхода. Источник света служит для обеспечения падающего пучка света для ухода за кожей посредством лазерно-индуцированного оптического пробоя (ЛИОП) волос или ткани кожи. Прозрачное окно выхода позволяет падающему пучку света выходить из устройства. Оптическая система обеспечена для фокусировки падающего пучка света в фокальное пятно в волосе или ткани кожи вне устройства ухода за кожей.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Такие устройства ухода за кожей на основе света используются, например, для ухода за морщинами и для срезания волос. При уходе за морщинами на основе света устройство создает фокальное пятно в слое дермы кожи, которая будет подвергнута уходу. Мощность и продолжительность лазерного импульса и размер фокального пятна выбираются так, что явление лазерно-индуцированного оптического пробоя (ЛИОП) воздействует на кожу, чтобы стимулировать возобновление роста ткани кожи и вместе с этим сократить морщины. При срезании волос на основе света падающий пучок света фокусируется в волосе, и явление ЛИОП вызывает срезание волоса.
Например, международная заявка на патент, опубликованная как WO 2005/011510, описывает такое устройство для укорачивания волос, содержащее лазерный источник для генерирования лазерного пучка в течение предварительно определенного времени импульса, оптическую систему для фокусировки лазерного пучка в фокальное пятно и манипулятор лазерного пучка для позиционирования фокального пятна в целевой позиции. Размеры фокального пятна и мощность генерированного лазерного пучка таковы, что в фокальном пятне лазерный пучок имеет плотность мощности, которая превышает характерное пороговое значение для ткани волос, при превышении которого в течение предварительно определенного времени импульса в ткани волос происходит явление лазерно-индуцированного оптического пробоя (ЛИОП).
2
В общем случае лазерно-индуцированный оптический пробой (ЛИОП) происходит в средах, которые являются прозрачными или полупрозрачными для длины волны лазерного пучка, когда плотность мощности (Вт/см) лазерного пучка в фокальном пятне превышает пороговое значение, которое является характерным для конкретной среды. Ниже порогового значения конкретная среда имеет относительно низкие линейные свойства поглощения для конкретной длины волны лазерного пучка. Выше порогового значения среда имеет сильно нелинейные свойства поглощения для конкретной длины волны лазерного пучка, которые являются результатом ионизации среды и формирования плазмы. Это явление ЛИОП приводит ко многим механическим эффектам, таким как кавитация и генерация ударных волн, которые повреждают среду в позициях, окружающих позицию явления ЛИОП.
2
10
2
Из экспериментов оказалось, что явление ЛИОП может использоваться для разрыва и укорочения волос, растущих из кожи. Ткань волос является прозрачной или полупрозрачной для длин волн приблизительно между 500 нм и 2000 нм. Для каждого значения длины волны в пределах этого диапазона явления ЛИОП происходят в ткани волос в местоположении фокального пятна, когда плотность мощности (Вт/см) лазерного пучка в фокальном пятне превышает пороговое значение, которое является характерным для ткани волос. Упомянутое пороговое значение находится довольно близко к пороговому значению, которое является характерным для водной среды и ткани, и зависит от времени импульса лазерного пучка. В частности, пороговое значение необходимой плотности мощности уменьшается, когда время импульса увеличивается. Оказалось, что для достижения механических эффектов в результате явления ЛИОП, которые являются достаточно эффективными, чтобы причинить существенное повреждение, то есть по меньшей мере начальный разрыв волоса, будет достаточным время импульса порядка, например, 10 нс. Для этого значения времени импульса пороговое значение плотности мощности лазерного пучка в фокальном пятне составляет порядка 2⋅10 Вт/см. В течение описанного времени импульса и с достаточно маленькими размерами полученного фокального пятна, например, посредством линзы, имеющей достаточно большую числовую апертуру, это пороговое значение может быть достигнуто с общей энергией пульса, составляющей лишь нескольких десятых мДж.
Хотя возможно использование устройства WO 2005/011510 для генерирования лазерно-индуцированного оптического пробоя (ЛИОП) с помощью падающего лазерного пучка, выходящего из устройства через маленькое стеклянное "лезвие", и с достаточной энергией, чтобы срезать человеческие волосы, продукты ЛИОП (ударная волна, плазма, высокая плотность мощности) могут нанести деструктивное повреждение лезвия. Поврежденное лезвие имеет вредное влияние на способность устройства обеспечивать достаточно сжатый фокус в требуемой позиции, что может уменьшить эффективность процесса срезания и/или может увеличить возникновение неблагоприятных побочных эффектов, таких как раздражение кожи. Подобные проблемы с повреждениями окна выхода, вызванными ЛИОП, могут случаться в устройствах на основе света для ухода за морщинами.
ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить устройство ухода за кожей на основе света, как описано во вводном параграфе, в котором значительно уменьшено повреждение окна выхода.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2
2
2
2
В соответствии с первым аспектом изобретения эта задача достигнута посредством обеспечения устройства ухода за кожей на основе света, содержащего источник света, оптическую систему и прозрачное окно выхода. Источник света служит для обеспечения падающего пучка света для ухода за кожей посредством лазерно-индуцированного оптического пробоя (ЛИОП) волос или ткани кожи. Прозрачное окно выхода обеспечивает возможность падающему пучку света выходить из устройства. Оптическая система обеспечена для фокусировки падающего пучка света в фокальное пятно в волосе или ткани кожи вне устройства ухода за кожей. Окно выхода содержит наружную поверхность, имеющую такие оптические свойства рассеивания, что для предварительно определенной мощности (Вт) и продолжительности импульса падающего пучка света, когда наружная поверхность находится в контакте со средой, имеющей показатель преломления, равный показателю преломления окна выхода, размер фокального пятна является достаточно маленьким, чтобы плотность мощности (Вт/см) падающего пучка света в фокальном пятне превысила пороговое значение (Вт/см) для индуцирования явления ЛИОП в фокальном пятне, и когда наружная поверхность находится в контакте со средой, имеющей показатель преломления, равный показателю преломления воздуха, размер фокального пятна является достаточно большим для того, чтобы плотность мощности (Вт/см) падающего пучка света в фокальном пятне не превысила пороговое значение (Вт/см) для индуцирования явления ЛИОП в фокальном пятне.
В идеальном случае ЛИОП всегда генерируется в волосе или ткани кожи. Однако при реальной работе не все волосы или ткань кожи правильно поражаются, и ЛИОП формируется либо в приложенной иммерсионной текучей среде, например в воде, либо в воздухе, если присутствует воздушный пузырь. В обширных сериях измерений авторы изобретения установили, что повреждение окна выхода является намного более серьезным, когда ЛИОП генерируется в воздухе, чем тогда, когда ЛИОП генерируется в иммерсионной текучей среде или в целевой позиции в волосах или коже. Оказалось, что побочные эффекты лазерно-индуцированного оптического пробоя газовых молекул в воздухе, такие как ударная волна, плазма и высокая плотность мощности света в фокальном пятне, намного более губительны для окна выхода, чем для ЛИОП в иммерсионных текучих средах, волосах или ткани кожи.
2
В устройстве ухода за кожей на основе света в соответствии с изобретением возникновение ЛИОП в воздухе значительно уменьшается или даже полностью предотвращается путем гарантии, что максимальная плотность мощности (Вт/см) в фокальном пятне в воздухе остается ниже порогового значения, которое должно быть достигнуто для создания ЛИОП. Два признака описанного выше устройства ухода за кожей на основе света являются важными для того, чтобы поддерживать максимальную плотность мощности в фокальном пятне в воздухе ниже порога ЛИОП, при этом еще создавая события ЛИОП в волосах или ткани кожи.
2
Первый важный признак устройства ухода за кожей на основе света в соответствии с изобретением состоит в том, что источник света и оптическая система выполнены с возможностью обеспечения падающего пучка света с мощностью (Вт) и продолжительностью импульса, приводящими к максимальной плотности мощности (Вт/см) в фокальном пятне, которая достаточна для того, чтобы вызвать ЛИОП, когда наружная поверхность окна выхода находится в контакте со средой, имеющей показатель преломления, равный или близкий к показателю преломления окна выхода. В результате ЛИОП будет происходить в волосах или ткани кожи.
Второй важный признак устройства ухода за кожей на основе света в соответствии с изобретением состоит в том, что оптические свойства рассеивания наружной поверхности окна выхода вызывают отклонение света, выходящего из устройства ухода за кожей, в нескольких направлениях, если показатели преломления окна выхода и среды, находящейся в контакте с наружной поверхностью окна выхода, в значительной степени отличаются. Требуемые оптические свойства рассеивания могут быть обеспечены, например, посредством структурированной или деформированной наружной поверхности. В принципе, деформированная поверхность и структурированная поверхность представляют собой разные слова для обозначения почти одного и того же, то есть отклонения от абсолютно гладкой поверхности, чтобы рассеять пучок света, что приводит к увеличению размера фокального пятна. Основное различие между деформированной и структурированной поверхностями состоит в размере отклонений. Для деформированной поверхности отклонения имеют размер порядка ширины светового пучка на внешней поверхности окна выхода. Для структурированной поверхности отклонения находятся на уровне микрона, что находится больше в порядке длины волны падающего пучка света. Далее будет использоваться термин "структурированная поверхность" без какого-либо намерения ограничить изобретение таким образом, что большие деформации или другие методы получения требуемых оптических свойств рассеивания внешней поверхности не являются возможными.
Окно выхода обычно сделано из прозрачного стекла или пластмассы, имеющих типичные показатели преломления между 1,3 и 1,7, чаще близко к 1,5. Имеющий значение 1,0 показатель преломления воздуха в значительной степени отличается. Отклонение падающего пучка света при переходе между окном выхода и воздухом приводит к относительно большому фокальному пятну. В результате предотвращаются ЛИОП в воздухе и его повреждающие окно выхода побочные эффекты.
2
Когда структурированная наружная поверхность окна выхода находится в контакте с иммерсионной текучей средой, имеющей показатель преломления, равный или подобный показателю преломления окна выхода, падающий пучок света не будет или будет незначительно отклоняться на структурированной наружной поверхности. Показатель преломления воды составляет 1,33, что уже намного ближе к показателю преломления окна выхода, чем показатель преломления 1,0 воздуха. Предпочтительно используется иммерсионная текучая среда с показателем преломления, который еще ближе к показателю преломления материала, из которого сделано окно выхода. Когда падающий пучок света не отклоняется на структурированной наружной поверхности, фокальное пятно падающего пучка света будет намного меньше, а максимальная плотность мощности (Вт/см) в фокальном пятне будет намного выше. Также, когда наружная поверхность окна выхода находится в контакте с волосом (показатель преломления 1,54) или тканью кожи (показатель преломления 1,4), фокальное пятно будет относительно маленьким, а максимальная плотность мощности в фокальном пятне будет относительно высокой.
Следует отметить, что словом "воздух" называется любой газ, смесь газов или пара, которые могут присутствовать у поверхности кожи. Основная идея, лежащая в основе изобретения, состоит в том, чтобы удостовериться, что ЛИОП будет происходить только в среде с показателем преломления, равным или подобным таковому окна выхода. Точная геометрия структурированной наружной поверхности, характеристики оптической системы фокусировки и мощность и продолжительность импульса падающего пучка света определяют, насколько хорошо показатели преломления окна выхода и среды, находящейся в контакте с наружной поверхностью окна выхода, должны быть согласованы для создания ЛИОП. Устройство может быть выполнено таким образом, что ЛИОП будет иметь место только в волосах или ткани кожи и иммерсионной текучей среде с корректным показателем преломления, но не в воде или воздухе. В качестве альтернативы, устройство может быть выполнено таким образом, что ЛИОП будет происходить также в воде, но не в воздухе.
В варианте осуществления устройства ухода за кожей в соответствии с изобретением наружная поверхность окна выхода имеет шероховатость поверхности со среднеквадратичным значением (RMS), заданным отношением
(n1-n2)⋅RMS>C⋅λ,
где (n1-n2) является разностью между показателем преломления (n1) окна выхода и показателем преломления (n2) воздуха, C является константой со значением между 0,07 и 10, а λ является длиной волны падающего пучка света. Эксперименты показали, что независимо от точной структуры поверхностных неоднородностей, присутствующих на наружной поверхности, такие значения RMS обеспечивают достаточное уменьшение сжатия фокального пятна, чтобы предотвратить ЛИОП в воздухе. В предпочтительных вариантах осуществления C имеет значение между 0,1 и 5, еще более предпочтительно между 0,2 и 3.
Точное значение C, которое будет выбрано, зависит от увеличения плотности мощности в фокальном пятне, которое требуется при сравнении большего фокального пятна в воздухе с меньшим фокальным пятном в волосе или другой среде с показателем преломления, близким к показателю преломления окна выхода. Например, 100-кратное увеличение плотности мощности в фокальном пятне требует значения для C приблизительно 1,5.
Устройство ухода за кожей на основе света в соответствии с изобретением может являться устройством для оптического срезания волос, то есть лазерной бритвой, или оптическим устройством омоложения кожи, например, для сокращения морщин на коже. Когда устройство ухода за кожей на основе света представляет собой лазерную бритву, окно выхода может быть осуществлено как оптическое лезвие, которое во время правильного использования испускает падающий пучок света в направлении, параллельном поверхности кожи. Когда устройство ухода за кожей на основе света представляет собой оптическое устройство омоложения кожи, падающий пучок света обычно выходит из устройства в направлении, перпендикулярном по отношению к окну выхода и поверхности кожи.
В варианте осуществления устройства ухода за кожей на основе света в соответствии с изобретением структурированная наружная поверхность окна выхода содержит периодическую структуру. Периодическая структура может иметь шаг порядка нескольких крат, например между 1- и 6-кратной длиной волны падающего пучка света. Такая периодическая структура может формировать дифракционную решетку, которая в дополнение к дефокусировке падающего пучка света также будет перераспределять часть энергии пучка в полностью разных направлениях. Безусловно, эта дефокусировка и эффекты перераспределения энергии будут возникать только в воздухе и других средах, имеющих показатель преломления, в значительной степени отличающийся от показателя преломления окна выхода. В таких средах максимальная плотность мощности в фокальном пятне будет достаточно низка, чтобы предотвратить ЛИОП.
В качестве альтернативы, структурированная наружная поверхность окна выхода содержит углубления, полученные посредством пескоструйной обработки. Хотя такая структура наружной поверхности окна выхода не обнаруживает периодичности ранее описанных вариантов осуществления, она также будет иметь достаточный эффект ухудшения падающего пучка света, чтобы предотвратить ЛИОП в воздухе.
Эти и другие аспекты изобретения понятны из описанных далее вариантов осуществления и будут разъяснены со ссылкой на них.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
НА ЧЕРТЕЖАХ:
Фиг. 1 схематично показывает оптическую бритву в соответствии с изобретением,
Фиг. 2 схематично показывает устройство омоложения кожи в соответствии с изобретением,
Фиг. 3a и 3b иллюстрируют эффект использования окна выхода со структурированной поверхностью,
Фиг. 4a и 4b иллюстрируют физический принцип, лежащий в основе использования структурированной поверхности, и
Фиг. 5a, 5b и 6 показывают примерные варианты осуществления окон выхода со структурированными поверхностями.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 схематично показывает оптическую бритву 10 в соответствии с изобретением. Оптическая бритва содержит источник 18 света для обеспечения падающего пучка 21 света для срезания волос 31, растущих на коже 30 человека или животного. Падающий пучок 21 света обычно является импульсным лазером. Например, Nd:YAG лазеры с эмиссией на 1064 нм или Er:YAG лазеры с эмиссией на 1645 нм используются для срезания волос 31 лазерно-индуцированным оптическим пробоем (ЛИОП). Обеспечены оптические элементы, такие как линзы 12 и зеркала 13, которые формируют оптическую систему для фокусирования импульсного лазерного пучка 21 в фокальное пятно 22 в волосе 31. Оптические элементы 12, 13 могут подстраиваться посредством фокусирующего устройства 51 для адаптации точной позиции фокального пятна 22 при необходимости. С этой целью, например, линзы 12 могут перемещаться и/или зеркала 13 могут поворачиваться. Обеспечен процессор 52, который присоединен, например, к источнику 18 света и фокусирующему устройству 51 для управления их действием.
Во время использования элемент 11 взаимодействия с кожей, который может содержать дополнительные фокусирующие элементы, перемещается по поверхности кожи 30, которая должна быть побрита. Элемент взаимодействия с кожей содержит окно 14 выхода для обеспечения возможности падающему пучку 21 света покидать устройство 10. Окно 14 выхода обычно осуществлено как оптическое лезвие для обеспечения возможности падающему пучку 21 света выходить из устройства в направлении, в целом параллельном поверхности кожи. Окно 14 выхода сделано из прозрачного материала, такого как пластмасса или стекло. Стекло и пластмасса имеют показатель преломления приблизительно 1,5, который может немного варьироваться в зависимости от его точного состава. В качестве альтернативы, для окна выхода используется сапфир с показателем преломления приблизительно 1,77.
Фиг. 2 схематично показывает устройство 20 омоложения кожи в соответствии с изобретением. Многие из элементов устройства 20 омоложения кожи подобны элементам, уже описанным выше при обсуждении оптической бритвы 10 на фиг. 1. Устройство 20 обычно используется для сокращения морщин, которые могут появиться на человеческой коже 30 в результате нормальных процессов старения. Кожа 30 содержит множество слоев с различными оптическими свойствами. Эпидермис 16 состоит из крайних слоев и формирует водонепроницаемый защитный барьер. Под эпидермисом 16 расположена дерма 17. Дерма 17 содержит волокна коллагена, на которые направлен уход за кожей. Цель ухода за кожей состоит в создании фокуса 22 импульсного лазерного пучка 21 в коллагене дермы 17, чтобы создать микроскопические повреждения, которые приводят к формированию нового коллагена и сокращению морщин.
Во время использования элемент взаимодействия с кожей устройства 20 прижимается или удерживается у кожи 30, которая подвергается уходу. Элемент 11 взаимодействия с кожей устройства 20 омоложения не имеет оптического лезвия, как в оптической бритве 10 на фиг. 1. Во время использования окно 14 выхода удерживается параллельно коже 30, и падающий пучок 21 света покидает окно выхода и попадает в кожу 30 в направлении, в целом перпендикулярном поверхности кожи.
И в оптической бритве 10 на фиг. 1, и в устройстве 20 омоложения кожи на фиг. 1 между элементом 11 взаимодействия с кожей и поверхностью кожи может быть обеспечена иммерсионная текучая среда. Предпочтительно используется иммерсионная текучая среда с показателем преломления, близким к показателю преломления окна 14 выхода и кожи 30 или волоса 31, где должен происходить ЛИОП. С этой целью очень подходят текучие среды с показателем преломления от приблизительно 1,4 до приблизительно 1,5. Также, хотя вода имеет несколько меньший показатель преломления 1,33, для некоторых устройств и применений она может являться подходящей иммерсионной текучей средой.
В соответствии с изобретением окна 14 выхода оптической бритвы 10 и устройства 20 омоложения кожи на фиг. 1 и 2 содержат наружную поверхность с такими оптическими рассеивающими свойствами, что для предварительно определенной мощности и продолжительности импульса падающего пучка 21 света, когда наружная поверхность находится в контакте со средой, имеющей показатель преломления, равный показателю преломления окна выхода, фокальное пятно является достаточно маленьким для плотности мощности падающего пучка света в фокальном пятне, чтобы превысить порог ЛИОП, и когда наружная поверхность находится в контакте с воздухом, фокальное пятно является достаточно большим для плотности мощности падающего пучка света, чтобы не превысить порог ЛИОП.
Требуемые свойства рассеивания, например, могут быть обеспечены посредством структурированной или деформированной поверхности. В принципе, деформированная поверхность и структурированная поверхность представляют собой разные слова для обозначения почти одного и того же, то есть отклонения от абсолютно гладкой поверхности, чтобы рассеять пучок и увеличить размер фокуса. Основное различие между деформированной и структурированной поверхностями состоит в размере отклонений. Для деформированной поверхности отклонения имеют размер порядка ширины светового пучка в окне выхода. Для структурированной поверхности отклонения находятся на уровне микрона, что находится больше в порядке длины волны падающего пучка света. Далее будет использоваться термин "структурированная поверхность" без какого-либо намерения ограничить изобретение таким образом, что большие деформации или другие методы получения требуемых свойств рассеивания не являются возможными. Структурированная поверхность должна по меньшей мере покрывать те области поверхности окна 14 выхода, где падающий пучок 21 света может покинуть устройство 10, 20. Предпочтительно структурированная поверхность покрывает всю площадь поверхности окна 14 выхода.
Фиг. 3а и 3b иллюстрируют эффект использования окна 14 выхода со структурированной поверхностью 41. На обеих фигурах падающий пучок 21 света фокусируется посредством фокусирующего элемента 11 и покидает устройство 10, 20 через окно 14 выхода, чтобы сформировать фокус в фокальном пятне 221, 222. В позиции окна 14 выхода, где падающий пучок 21 света покидает устройство 10, 20, окно 14 выхода имеет структурированную поверхность 41. На фигуре 3a окно 14 выхода граничит с воздухом. На фигуре 3b окно 14 выхода граничит с иммерсионной текучей средой 24 с показателем преломления, подобным показателю преломления окна 14 выхода. Вследствие структурированной поверхности 41 и другого, то есть более низкого показателя преломления воздуха падающий пучок 21 света на фиг. 3a ухудшается, что приводит к большему фокальному пятну 221 и более низким максимальным интенсивностям света в фокальном пятне 221. В соответствии с изобретением мощность падающего пучка 21 света является такой, что плотности мощности в этом большем пятне 221 не будет достаточно, чтобы создать ЛИОП. На фигуре 3b вследствие значительной степени соответствия показателей преломления окна 14 выхода и иммерсионной текучей среды 24 структурированная поверхность 41 не имеет эффекта ухудшения на падающий пучок света, и сжатое фокальное пятно 222 создается в значительной степени с более высокими максимальными интенсивностями света в этом фокальном пятне 222. В соответствии с изобретением мощность падающего пучка 21 света является такой, что плотность мощности в этом меньшем пятне 221 будет выше порога ЛИОП. Таким образом, ЛИОП будет создаваться только внутри иммерсионной текучей среды и в волосах и ткани кожи, которые также имеют показатель преломления, близкий к показателю преломления окна выхода. В воздухе ЛИОП создаваться не будет и не повредит поверхность окна 14 выхода. Если, например, воздушные пузыри будут сформированы в иммерсионной текучей среде 24 у поверхности окна 14 выхода, структурированная поверхность 41 вызовет ухудшение падающего пучка света, и ЛИОП в воздухе будет предотвращен.
Фигуры 4a и 4b иллюстрируют физический принцип, лежащий в основе использования структурированной поверхности 41. На фиг. 4a окно 14 выхода находится в контакте с воздухом, который имеет показатель преломления, отличающийся от такового материала окна 14 выхода. На фиг. 4b окно 14 выхода находится в контакте с иммерсионной текучей средой 24, которая имеет показатель преломления, в значительной степени равный показателю преломления материала окна 14 выхода. Структурированная поверхность 41 не является гладкой, как в предшествующей области техники, но заключает разные углы с падающим пучком 21 света в разных позициях.
В ситуации на фиг. 4a падающий пучок 21 света вследствие различия показателя преломления будет отклонен на области взаимодействия между материалом окна 14 выхода и воздухом. Поскольку отклонение будет отличаться в разных позициях на структурированной поверхности 41, оно также будет отличаться для разных частей падающего пучка 21 света. В результате световой пучок 21 будет ухудшен, и фокальное пятно 221 будет больше (см. фиг. 3a), чем в том случае, когда окно 14 выхода имело бы плоскую поверхность.
-2
-2
На фиг. 4b падающий пучок 21 света не будет испытывать изменение показателя преломления на области взаимодействия между окном 14 выхода и иммерсионной текучей средой. Отклонение света не будет происходить, и размеры фокального пятна 222 (см. фиг. 3b) не будут находиться под влиянием варьирования ориентаций структурированной поверхности 41. Эксперименты показали, что переход от фокального пятна с диаметром 100 микрон к диаметру 3 микрона может привести к увеличению пиковой оптимальной мощности от приблизительно 0,1 ГВт⋅мм до приблизительно 14 ГВт⋅мм, что является более чем достаточным, чтобы превысить порог ЛИОП.
Фиг. 5a, 5b и 6 показывают примерные варианты осуществления окон 14 выхода со структурированными поверхностями. На фиг. 5a и 5b структурированные поверхности имеют периодический шаблон 42, 43 с постоянным шагом 54. Шаг 54 является расстоянием между двумя последовательными вариациями поверхностной структуры. Для оптимального эффекта ухудшения светового пучка 21 шаг 54 не должен быть больше, чем несколько длин волны падающего пучка 21 света. Дополнительным аспектом шаблона, который влияет на эффект ухудшения света, является шероховатость поверхности окна выхода, которая может быть задана как глубина бороздок на фиг. 5a и 5b. Для 1645 нм лазера глубины бороздок от 0,2 до 30 микрон являются подходящими для получения требуемого эффекта. Бороздки с глубиной между приблизительно 0,5 и 10 микрон предпочтительны для еще лучших результатов. Глубина бороздки может варьироваться ступенчато или постепенно. Для лазерного света с большими длинами волн глубина бороздки должна быть пропорционально увеличена для получения подобного влияния на размер фокального пятна. Шероховатость поверхности может быть определена значением RMS. Значение RMS поверхности представляет собой среднеквадратическое значение высоты или глубины всех поверхностных неоднородностей. Для регулярно структурированной поверхности с бороздками одинаковой формы значение RMS равняется глубине бороздки.
В общем случае, отношение между минимальным среднеквадратичным значением (RMS), показателем преломления и длиной волны падающего света может быть представлено следующим отношением:
(n1-n2) ⋅RMS>C ⋅ длина волны,
где (n1-n2) является разностью показателей преломления между материалом окна выхода и смежной средой (например, 0,5 для стекла и воздуха или 0,2 для стекла и воды, 0,7 для сапфира и воздуха). C является константой с предпочтительными значениями между 0,07 и 10, более предпочтительно между 0,1 и 5 и наиболее предпочтительно между 0,2 и 3.
Точное значение C, которое будет выбрано, зависит от увеличения плотности мощности в фокальном пятне, которое требуется, при сравнении большего фокального пятна в воздухе с меньшим фокальным пятном в волосе или другой среде с показателем преломления, близким к показателю преломления материала окна выхода. Например, 100-кратное увеличение плотности мощности в фокальном пятне требует значения для C приблизительно 1,5.
На фигуре 5a поверхностная структура содержит ступенчатый шаблон 43. На фигуре 5b поверхностная структура содержит регулярный волнистый шаблон 43. Могут использоваться многие вариации таких регулярных шаблонов 42, 43, и могут использоваться зубчатые шаблоны или шаблоны шахматной доски. Такие регулярные шаблоны 42, 43 могут заставить поверхностную структуру функционировать как дифракционная решетка, которая не только увеличивает фокальный размер пятна, но также производит распределение плотности мощности в фокальном пятне.
Фигура 6 показывает нерегулярный шаблон, который может быть получен, например, посредством способов пескоструйной обработки или других вероятностных процессов для обеспечения или изменения поверхностной структуры. И размер, и позиция углублений 44 могут быть распределены нерегулярно. Для оптимального эффекта ухудшения светового пучка углубления 44 в таком образце предпочтительно имеют размер, не больший, чем несколько длин волны падающего пучка 21 света.
Следует отметить, что упомянутые выше варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают изобретение, и специалисты в области техники смогут спроектировать много альтернативных вариантов осуществления без отступления от объема приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения любые обозначения для ссылок, помещенные между круглыми скобками, не должны рассматриваться как ограничение пункта формулы изобретения. Использование глагола "содержать" и его форм спряжения не исключает наличия элементов или этапов кроме перечисленных в пункте формулы изобретения. Использование единственного числа для обозначения элемента не исключает наличия множества таких элементов. Изобретение может быть реализовано посредством аппаратных средств, содержащих несколько разных элементов, и посредством соответствующим образом запрограммированного компьютера. В пункте формулы изобретения, описывающем устройство и перечисляющем несколько средств, несколько из этих средств могут быть воплощены посредством одного и того же элемента аппаратных средств. Сам факт того, что некоторые меры изложены в разных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что не может быть успешно использована комбинация этих мер.