Волоконный лазер для медицины
FIBER LASER FOR MEDICINE

Изобретение относится к медицинской технике. Лазеры находят широкое применение в хирургии, урологии, литотрипсии, косметологии. В ряде медицинских приложений требуется применение специфичных длин волн лазерного излучения, например в области спектра 1.94 мкм, соответствующей пику поглощения в воде, крови, гемоглобине, мягких тканях. При проведении операций литотрипсии требуемая мощность лазерного излучения должна быть более 100 Вт. Волоконные тулиевые лазеры, обладающие высоким КПД (до 60%) по мощности накачки, надежностью, малыми габаритами, работают в области спектра 1.9-2.1 мкм и прекрасно подходят для этих приложений.
Возможный диапазон перестройки длины волны генерации в волоконном лазере определяется спектральной полосой усиления в активном волокне. Получение стабильной генерации лазерного излучения на краю спектральной полосы усиления требует повышенной защиты активной среды от излучения отраженного поверхностью облучаемых объектов, составных частей лазера. Низкий коэффициент усиления на рабочей длине волны может приводить к срыву генерации в спектральную область с большим усилением. Развитие "паразитной" генерации, вероятность появления которой растет с повышением мощности лазерного излучения, может привести к выходу из строя оптических элементов лазера. Для защиты активной среды лазера от отраженных сигналов применяют оптоволоконные изоляторы. Оптоволоконные изоляторы вносят дополнительные потери мощности лазерного излучения, доходящие по уровню сигнала до 0.8-1.5 дБ. Кроме того их предельная мощность ограничена величиной ~ 50…100 Вт, чего не достаточно для проведения операции литотрипсии, требующих выходной мощности лазерного излучения более 100 Вт.
Известно техническое решение, описанное в патенте РФ на изобретение №2045298, опубл. 10.01.2012 г., МПК A61N-5/06, А61В-17/36, под названием «Медицинское лазерное устройство», содержащее глухое и выходное селективные зеркала, резонатор, измеритель мощности излучения, источник подсветки, блок управления и выпрямитель,
К недостаткам этого устройства следует отнести:
- использование твердотельного лазера существенно увеличивает массо-габаритные характеристики лазера и его стоимость;
- твердотельные лазеры имеют КПД в несколько раз меньший, чем в волоконном;
- излучение твердотельного лазера при вводе в волокно может претерпевать потери до 50%.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбранным в качестве прототипа устройства является техническое решение, описанное в патенте РФ на изобретение №2682628, опубл. 19.03.2019 г., МПК A61N-5/067, под названием «Волоконный лазер для медицины», содержащий глухое и выходное селективные зеркала, измеритель мощности излучения, источник подсветки, блок управления, выпрямитель, лазерные диоды накачки, волоконно-оптические объединители накачки, соединенные с лазерными диодами накачки и активным волокном, стриппер оболочки, резонатор, выполненный волоконно-оптическим и образованный селективными зеркалами в виде волоконных брегговских решеток, выходная из которых выполнена с коэффициентом отражения в интервале от 5 до 20%.
К недостаткам этого устройства следует отнести:
- ограничение выходной мощности лазерного излучения применяемым в схеме лазера оптоволоконным изолятором;
- низкий КПД из-за потерь мощности лазерного излучения на изоляторе;
- применение в выходной части волоконно-оптического делителя, ограничивающего выходную мощность лазерного излучения и не имеющего спектрального разделения.
Задачей настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных возможностей с уменьшением массогабаритных характеристик и улучшением качественных характеристик, а именно увеличение выходной мощности и эффективности лазера.
Техническим результатом является повышение КПД лазера и увеличение выходной мощности лазерного излучения за счет новой схемы лазера со сниженной потерей мощности и высокой защитой от отраженного излучения.
Это достигается тем, что волоконный лазер для медицины, содержащим глухое и выходное селективные зеркала, измеритель мощности излучения, источник подсветки, блок управления, выпрямитель, лазерные диоды накачки, волоконно-оптические объединители накачки, соединенные с лазерными диодами накачки и активным волокном, стриппер оболочки, резонатор, выполненный волоконно-оптическим и образованный селективными зеркалами в виде волоконных брегговских решеток, выходная из которых выполнена с коэффициентом отражения в интервале от 5 до 20%, согласно изобретению, снабжен волоконным спектральным уплотнителем, оптически связанным с источником подсветки и расположенным перед глухим селективным зеркалом, и оптическим узлом вывода излучения, расположенным в выходной части лазера и включающим маломодовое волокно, соединенное с защитным элементом, оптически связанным с коллиматором, который соединен с многомодовым волокном, при этом лазерные диоды накачки объединены в лазерные модули накачки.
Кроме того, с целью уменьшения потерь излучения на поверхности оптического узла вывода излучениянанесено просветляющее покрытие.
Кроме того, с целью дополнительной защиты выходного торца многомодового волокна, защитный элемент выполнен в виде кварцевого наконечника.
Кроме того, с целью увеличения защиты активной среды лазера от обратного отраженного излучения, в качестве маломодового волокна использовано одномодовое волокно.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».
Предложенное техническое решение проиллюстрировано на следующих чертежах:
на фиг. 1 представлена оптическая схема лазера;
на фиг. 2 представлена схема оптического узла вывода излучения.
На чертежах введены следующие обозначения:
1 - лазерные модули накачки;
2 - глухое селективное зеркало;
3 - волоконно-оптические объединители накачки;
4 - активное волокно;
5 - волоконно-оптические объединители накачки;
6 - выходное селективное зеркало;
7 - источник подсветки;
8 - волоконный спектральный уплотнитель;
9 - волоконно-оптический стриппер оболочки;
10 - оптический узел вывода излучения;
11 - маломодовое волокно;
12 - защитный элемент;
13 - коллиматор;
14 - многомодовое волокно.
Оптическая схема волоконного лазера для медицины (фиг. 1) содержит лазерные модули накачки 1, содержащие лазерные диоды накачки, глухое 2 и выходное 6 селективные зеркала, резонатор, источник подсветки 7, активное волокно 4 и волоконный спектральный уплотнитель 8, расположенный перед глухим селективным зеркалом 2, через который оптически связан с источником подсветки 7. Резонатор выполнен волоконно-оптическим, образованным селективными зеркалами глухим 2 и выходным 6, выполненными в виде волоконных брегговских решеток, при этом выходное селективное зеркало 6 выполнено с коэффициентом отражения в интервале от 5 до 20%, волоконно-оптическими объединителями накачки 3, и 5, соединенными с лазерными модулями накачки 1 и активным волокном 4, волоконно-оптическим стриппером оболочки 9 и оптическим узлом вывода излучения 10, расположенным в выходной части волоконного лазера и включающим маломодовое волокно 11, в качестве которого использовано одномодовое волокно, соединенное с защитным элементом 12, выполненным в виде кварцевого наконечника и оптически связанным с коллиматором 13, который соединен с многомодовым волокном 14 (фиг. 2).
Устройство работает следующим образом.
Накачку активного волокна 4 осуществляют лазерными модулями накачки 1 с волоконными выводами по оболочке через волоконно-оптические объединители накачки 3 и 5. Резонатор выполнен волоконно-оптическим и образован селективными зеркалами глухим 2 и выходным 6, выполненными в виде волоконных брегговских решеток. Оптимальный коэффициент отражения выходного селективного зеркала 6 лежит в диапазоне от 5 до 20%. Нижняя граница 5% обусловлена созданием обратной связи в резонаторе от торца волокна посредством френелевского отражения (4.6%), вследствие чего волоконный лазер может генерировать излучение на благоприятной ему длине волны в области 1970 нм. Верхняя граница 20% обусловлена спадом эффективности.
Непоглощенную мощность излучения накачки выводят волоконно-оптическим стриппером оболочки 9. Ввод излучения источника подсветки 7 осуществляют волоконным спектральным уплотнителем 8, расположенным перед глухим селективным зеркалом 2. Выходное излучение выводят через оптический узел вывода излучения 10, при этом излучение из маломодового волокна 11, с помощью оптического коллиматора 13, вводят в многомодовое волокно 14 на выходе волоконного лазера. В качестве многомодового волокна 14 используют транспортное волокно подсоединяемого к волоконному лазеру медицинского инструмента. Эффективную защиту элементов волоконного лазера для медицины от излучения, отраженного облучаемыми образцами, осуществляют за счет различия модового состава используемых волокон 11 и 14. Без учета потерь мощности при прохождении сигнала лазерного излучения из маломодового волокна 11 в многомодовое волокно 14 величину оптической развязки (Р) оптического узла вывода излучения 10 можно оценить как:
л
и
где d - диаметр сердцевины маломодового волокна лазера 11, D - диаметр сердцевины многомодового волокна 14.
Для волокна 11 с диаметром сердцевины 10 мкм и применяемого многомодового волокна 14 с диаметром сердцевины 150 мкм, развязка составит 23.5 дБ.
Для дополнительной защиты выходного торца многомодового волокна 14 волоконного лазера для медицины используют защитный элемент 12, выполненный в виде кварцевого наконечника. Для уменьшения потерь излучения на оптические поверхности узла излучения 10 наносят просветляющие покрытия.
Рассматриваемая схема волоконного лазера для медицины позволяет снизить потери мощности лазерного излучения, защитить элементы волоконного лазера от отраженного излучения, а так же защитить выходную часть волоконного лазера для медицины от механических повреждений, возникающих при подсоединении к лазеру транспортного волокна медицинского инструмента.
Наличие в схеме волоконного лазера волоконного спектрального уплотнителя позволило снизить потери при выводе лазерного излучения и более эффективно вводить излучение подсветки.
Экспериментальные исследования показали, что предложенная схема волоконного лазера для медицины обеспечивает отсутствие срыва генерации при выходной мощности лазерного излучения более 100 Вт и повышение КПД лазера на 15%.
Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, экспериментально подтверждена работоспособность волоконного лазера для медицины и способность достижения указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».