устройство для обработки материалов (преимущественно биологических) лазерным излучением (варианты)

Формула изобретения

1. Устройство для обработки материалов лазерным излучением, состоящее из последовательно расположенных вдоль оптической оси импульсного лазера, средства доставки лазерного излучения к материалу, включающего оптическое волокно с фокусирующими системами на входе и выходе, акустического приемника, блока управления, выходы которого соединены с входом блока питания лазера и входом блока юстировки, а выходы блока юстировки - с соответствующим входом лазера и средства доставки лазерного излучения, отличающееся тем, что в устройство введен измеритель лазерной энергии, причем последний и акустический приемник представляют собой датчики проходного типа, выполненные в виде тонкопленочных приемников, размещенные хотя бы на одном из упомянутых элементов средства доставки лазерного излучения, а выходы тонкопленочных приемников соединены со входами блока управления.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тонкопленочный измеритель лазерной энергии размещен на оптическом волокне вблизи входного торца, а тонкопленочный акустический приемник на оптическом волокне - на расстоянии между геометрическими центрами обоих приемников, большем, чем среднее арифметическое длин приемников и меньшем, чем длина оптического волокна за вычетом половины суммы длин обоих приемников, а выходы тонкопленочных приемников соединены со входами блока управления.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит тонкопленочные измеритель лазерной энергии и акустический приемник, выполненные аналогично упомянутым и расположенные соответственно на входной и выходной фокусирующих системах средства доставки, при этом выходы измерителей лазерной энергии соединены со входами блока управления через схему сравнения.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит хотя бы один тонкопленочный измеритель лазерной энергии, установленный на некотором расстоянии от уже существующего тонкопленочного измерителя лазерной энергии, при этом их выходы соединены со входами блока управления через схему сравнения.

5. Устройство для обработки материалов лазерным излучением, состоящее из последовательно расположенных вдоль оптической оси импульсного лазера, средства доставки лазерного излучения к материалу, включающего оптическое волокно с фокусирующими системами на входе и выходе, акустического приемника, блока управления, выходы которых соединены со входом блока питания лазера и входом блока юстировки, а выходы блока юстировки - с соответствующим входом лазера и средства доставки лазерного излучения, отличающееся тем, что оно снабжено блоком раздельной обработки пироэлектрической и пьезоэлектрической компонент сигнала, а акустический приемник выполнен с возможностью измерения лазерной энергии в виде одного тонкопленочного приемника, расположенного хотя бы на одном элементе средства доставки лазерного излучения, при этом выходы приемника соединены с блоком раздельной обработки пироэлектрической и пьезоэлектрической компоненты сигнала, выходы которого соединены с выходами блока управления.

6. Устройство по п.1 или 5, отличающееся тем, что поверхность чувствительного элемента тонкопленочного приемника покрыта защитной пленкой, например, из полиметилметакрилата.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лазерной технике и может использоваться при обработке материалов излучением лазерных систем с волоконно-оптическими системами доставки.

Известны устройства для лазерной обработки биоткани (заявка PCT/RU95/00211, опубликовано NWO96/25979 28.08.96), включающие импульсные лазеры, систему доставки излучения к биоткани, блоки питания и управления, оптический контактный или неконтактный наконечник, систему орошения, приемник информации о состоянии биоткани. Недостатком этих устройств является невозможность измерения параметров лазерного излучения (энергия, длительность импульса), проходящего внутри системы доставки, выполненной в виде оптического волокна, без разрушения последнего и внесения потерь в оптический тракт, что делает затруднительным управление параметрами лазера в режиме реального времени и приводит к неадекватности лазерного воздействия на объект.

Наиболее близким по технической сущности и выбранным за прототип является способ обработки твердых тканей зуба и устройство для его реализации (заявка PCT/AT95/00073, опубликовано NWO95/27446 19.10.95), содержащее импульсный лазер, блок питания и управления лазером, систему доставки лазерного излучения к объекту, акустический приемник и фоторегистратор. Недостатком данного устройства является невозможность контроля параметров акустического сигнала за время, меньшее чем время пробега акустической волны от источника звука на объекте до приемника по воздуху, что снижает адаптивность всей системы и может привести к неадекватности ее отклика по цепи управления. Кроме того, система не позволяет измерять энергетические и временные параметры лазерного излучения, непосредственно падающего на поверхность обрабатываемой ткани, что приводит к снижению эффективности воздействия, ресурса и надежности, а при обработке биологических объектов к росту травматичности лазерной процедуры, а в ряде случаев к опасному перегреву окружающих место воздействия тканей и как следствие к их нежелательной некротизации.

Задача, на которую направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности лазерной обработки материалов, ресурса работы устройства и его надежности, а также снижении его массогабаритных характеристик.

Указанная задача решается при осуществлении изобретения за счет технического результата, заключающегося в неразрушающем среду распространения измерении световой энергии без ее потерь, измерении длительности импульса лазерного излучения и параметров акустических колебаний, являющихся не только следствием лазерного удаления материала, но и процесса деградации оптико-физических свойств оптического волокна.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство для обработки материалов лазерным излучением, состоящее из последовательно расположенных вдоль оптической оси импульсного лазера, средства доставки лазерного излучения к материалу, включающего оптическое волокно с фокусирующими системами на входе и выходе, акустического приемника, блока управления, выходы которого соединены с входом блока питания лазера и входом блока юстировки, а выходы блока юстировки с соответствующим входом лазера и средства доставки лазерного излучения, введен измеритель лазерной энергии, причем последний и акустический приемник, они представляют собой датчики проходного типа, выполненные в виде тонкопленочных приемников, каждый из которых размещен непосредственно хотя бы на одном из упомянутых элементов средства доставки лазерного излучения, а выходы тонкопленочных приемников соединены со входами блока управления.

Тонкопленочный измеритель лазерной энергии может быть размещен на оптическом волокне вблизи входного торца, а тонкопленочный акустический приемник - на оптическом волокне на расстоянии между геометрическими центрами обоих приемников, большем чем среднее арифметическое длин приемников и меньшем чем длина оптического волокна за вычетом половины суммы длин обоих приемников.

В устройство могут быть дополнительно введены тонкопленочные измеритель лазерной энергии и акустический приемник, выполненные аналогично упомянутым и расположенные соответственно на входной и выходной фокусирующих системах средства доставки, при этом выходы измерителей лазерной энергии соединены с входами блока управления через схему сравнения.

Устройство может дополнительно содержать хотя бы один тонкопленочный измеритель лазерной энергии, установленный на некотором расстоянии от уже существующего тонкопленочного измерителя лазерной энергии, при этом их выходы соединены со входами блока управления через схему сравнения.

Указанный технический результат достигается также тем, что устройство для обработки материалов лазерным излучением, состоящее из последовательно расположенных вдоль оптической оси импульсного лазера, средства доставки лазерного излучения к материалу, включающего оптическое волокно с фокусирующими системами на входе и выходе, акустического приемника, блока управления, выходы которых соединены со входом блока питания лазера и входом блока юстировки, а выходы блока юстировки с соответствующим входом лазера и средства доставки лазерного излучения, снабжено блоком раздельной обработки пироэлектрической и пьезоэлектрической компонент сигнала, а акустический приемник выполнен с возможностью измерения лазерной энергии в виде одного тонкопленочного приемника, расположенного хотя бы на одном элементе средства доставки лазерного излучения, при этом выходы приемника соединены с блоком раздельной обработки пироэлектрической и пьезоэлектрической компоненты сигнала, выходы которого соединены с выходами блока управления.

Приемная площадка тонкопленочного приемника может быть покрыта защитной пленкой, например, из полиметилметакрилата.

Существующие методы измерения энергетических характеристик лазерного излучения (калориметрические, фотоэлектрические, пироэлектрические и т.д.), обладая теми или иными достоинствами при измерениях в различных диапазонах параметров лазерного излучения, имеют общий недостаток - необходимость ответвления части излучаемой энергии. Это, снижая долю полезной энергии излучения, приводит также к увеличению реальных габаритов измерительного тракта и, главное, к повышению погрешности измерений за счет добавки погрешности калибровки оптического ответвителя к погрешности измерителя.

При распространении лазерного излучения через оптическое волокно происходит рассеяние части светового потока на микровключениях, неизбежно присутствующих, в материале волокна. Доля рассеянного излучения постоянна по всему объему волокна, определяется технологией его изготовления и длиной волны света и составляет не более 1% введенного в волокно излучения для всех известных классов оптических материалов, использующихся при производстве оптических волокон. Рассеяние света внутри волокна происходит во всех направлениях, в том числе в радиальном. Излучение, рассеянное на дефекте, попадая на чувствительную площадку тонкопленочного приемника, нагревает ее. Материал чувствительной площадки выбран таким образом, что его нагрев приводит к формированию электрического потенциала (пироэлектрический эффект) между обкладками датчика, амплитуда которого пропорциональна энергии лазерного излучения, а длительность - длительности лазерного импульса (см. Юревич В.И., Судьенков Ю.В. Измерение коэффициентов поглощения селенида цинка бесконтактным фототермоакустическим методом. Изв. РАН, 1993, т.57, N12, с. 160-166; Кременчугский Л. С. , Ройцина О.В. Пироэлектрические приемники излучения. К., 1979, с. 378).

Акустические колебания возникают при взаимодействии лазерного излучения с объектом. Особенно ярко этот эффект проявляется при лазерном разрушении материалов. В общем случае амплитудно-частотная характеристика этого оптоакустического сигнала несет в себе информацию о параметрах процесса взаимодействия света с веществом, таких как порог и эффективность разрушения. В нашем случае оптический волновод кроме своей прямой функции может также являться проводником акустических колебаний, возникающих в месте соприкосновения материала волокна с окружающей средой (объект, воздух и т.д.) Акустические колебания, достигая места расположения тонкопленочного приемника, создают разность давлений между волокном и чувствительной площадкой, при этом в материале датчика формируется электрический сигнал (пьезоэффект), пропорциональный амплитуде и частоте акустических колебаний.

Использование в качестве измерителя лазерной энергии и акустического приемника вышеописанных датчиков проходного типа, выполненных в виде тонкопленочных приемников, размещенных на соответствующих элементах средства доставки лазерного излучения к обрабатываемому материалу, позволяет оптимизировать передачу лазерной энергии и режим обработки материала. При наличии дополнительных тонкопленочного измерителя лазерной энергии и акустического приемника, расположенных соответственно на входной и выходной фокусирующих системах средства доставки лазерного излучения к материалу, обеспечивается высокая точность настройки параметров устройства, которая достигается посредством использования автоматически управляемого блока юстировки, причем наивысшая точность настройки наступает при наименьшей величине разности параметров сигналов на выходах измерителей лазерной энергии.

Расположение тонкопленочных измерителей лазерной энергии в разных местах оптического волокна на определенном расстоянии друг от друга позволяет контролировать светопропускание оптического волокна.

Сущность изобретения поясняется фигурами 1-9, где на фиг. 1 приведен характерный вид регистрируемого в оптическом тракте пироэлектрического сигнала (материал приемника - поливинилдегидрофосфатная (ПВДФ) пленка) при распространении по кварцевому волокну излучения рубинового лазера (длина волны 0.694 мкм). Величина t соответствует длительности лазерного импульса, измеренной с помощью времяразрешающего фотодиода. Фиг. 2 демонстрирует линейность зависимости амплитуды регистрируемого датчиком сигнала от энергии излучения рубинового лазера. На фиг. 3 приведен характерный вид регистрируемого в оптическом тракте пьезоэлектрического сигнала (материал приемника - ПВДФ пленка) при взаимодействии распространяющегося по кварцевому волокну излучения рубинового лазера (длина волны 0.694 мкм) с биотканью (волосом человека, помещенным в кювету с дистиллированной водой). На фиг.4 показана характерная осциллограмма сигнала, содержащего информацию как о параметрах лазерного излучения (участок 1), так и акустического сигнала (участок 2). Фиг. 5 иллюстрирует фурье-образ акустического сигнала, регистрируемого тонкопленочным датчиком, закрепленным на оптическом волокне на расстоянии 10 мм от его выходного торца, возникающего при взаимодействии распространяющегося по тому же волокну излучения рубинового лазера (длина волны 0.694 мкм) с дистиллированной водой, помещенной в кювету (фиг.5а), фиг. 5б - с волосом человека, помещенным в кювету с дистиллированной водой. Видно, что в отсутствии волоса акустический сигнал не имеет особенностей в полосе частот до 100 кГц. При анализе акустического сигнала, соответствующего взаимодействию лазерного света с волосом, ярко видны полосы с характерными максимумами - в области от 5 кГц до 40 кГц. Таким образом, анализ акустического сигнала, регистрируемого тонкопленочным датчиком, позволяет идентифицировать тип обрабатываемого материала (в данном случае вода или волос), а также по изменению амплитуды или энергии полосы, регистрируемого акустического сигнала, в определенной области акустического спектра оценить эффективность разрушения материала.

Принципиальная схема устройства для обработки материалов лазерным излучением приведена на фиг. 6. Устройство состоит из импульсного лазера 1, средства доставки лазерного излучения 2 к материалу 3, включающего оптическое волокно 4 с фокусирующими системами на входе 5 и выходе 6, тонкопленочного измерителя лазерной энергии 7, блока управления 8, выходы которого соединены с входом блока питания лазера 9 и входом блока юстировки 10, а выходы блока юстировки 10 с соответствующим входом лазера 1 и средства доставки лазерного излучения 2, тонкопленочного акустического приемника 11, при этом тонкопленочные измеритель лазерной энергии 7 и акустический приемник 11 размещены на одном из упомянутых элементов средства доставки лазерного излучения 2, а выходы тонкопленочных приемников 7, 11 соединены со входами блока управления 8.

Контроль световой энергии, длительности импульса лазерного излучения и параметров акустических колебаний может осуществляться одним тонкопленочным приемником, в этом случае устройство может быть выполнено в виде (фиг. 7), когда измеритель лазерной энергии 7 и акустический приемник 11 совмещены и выполнены в виде одного тонкопленочного приемника 12, расположенного на элементе средства доставки лазерного излучения 2, при этом выходы приемника 12 соединены с блоком раздельной обработки пироэлектрической и пьезоэлектрической компоненты регистрируемого таким тонкопленочным приемником сигнала 13, выходы которого соединены с входами блока управления 8.

Вид тонкопленочного приемника при необходимости его частой замены приведен на фиг. 8. Приемная площадка чувствительного элемента 14 с электрическими контактами 15 снабжена защитной пленкой 16, а узел фиксации 17 выполнен для удобства в виде цанги или клипсы. Защитная пленка необходима для уменьшения механического износа материала чувствительного элемента.

Для повышения точности устройство дополнительно содержит (фиг.9) тонкопленочные измеритель лазерной энергии 7 и акустический приемник 11, выполненные аналогично упомянутым ранее и расположенные соответственно на входной 5 и выходной 6 фокусирующих системах средства доставки 2, при этом выходы измерителей лазерной энергии 7 соединены с входами блока управления 8 через схему сравнения 18.

При измерении пропускания оптического волокна 4 устройство дополнительно содержит (фиг. 10) хотя бы один тонкопленочный измеритель лазерной энергии 7, установленный на некотором расстоянии от уже существующего тонкопленочного измерителя лазерной энергии 7, при этом их выходы соединены со входами блока управления через схему сравнения 18.

Устройство работает следующим образом: по сигналу от блока управления 8 блок питания 9 инициирует накачку активного элемента импульсного лазера 1, лазерное излучение падает на фокусирующую систему 5 на входе средства доставки 2 лазерного излучения к материалу 3, сфокусированное лазерное излучение попадает на входной торец оптического волокна 4, на некотором расстоянии от которого размещается тонкопленочный измеритель лазерной энергии 7 и тонкопленочный акустический приемник 11. Расстояние между геометрическими центрами обоих приемников 7, 11 больше чем среднее арифметическое длин приемников 7, 11 и меньше чем длина оптического волокна 4 за вычетом половины суммы длин обоих приемников 7, 11. С выхода оптического волокна 4 излучение может непосредственно попадать на обрабатываемый материал 3 или через фокусирующую систему 6 на выходе оптического волокна 4. При прохождении по оптическому волокну 4 (или по элементу фокусирующей системы 5 на входе средства доставки) лазерное излучение рассеивается и вызывает пироэлектрический эффект в тонкопленочном измерителе энергии 7, при этом электрический сигнал с тонкопленочного измерителя энергии 7, пропорциональный энергии лазерного импульса, попадает в блок управления 8, который в зависимости от значения амплитуды пришедшего с тонкопленочного измерителя энергии 7 сигнала изменяет энергию накачки на блоке питания 9, информирует пользователя о текущем значении энергии или выдает управляющий сигнал на блок юстировки 10, тем самым стабилизируя лазерную энергию на первоначально-заданном уровне. При этом в зависимости от положения и количества тонкопленочных измерителей энергии 7 может контролироваться не только энергия, но также светопропускание оптического тракта и эффективность ввода лазерного излучения в оптическое волокно 4. Акустическая волна, возникающая при лазерной обработке материала 3, распространяясь по оптическому волокну 4 в направлении, обратном направлению распространения лазерного излучения (или по элементу фокусирующей системы 6 на выходе средства доставки), как по акустическому волноводу, достигает тонкопленочного акустического приемника 11, в котором вызывает пьезоэффект, при этом электрический сигнал, пропорциональный эффективности (или комплементарный типу обрабатываемого материала) лазерного удаления материала 3, попадает в блок управления 8, который в зависимости от значения пришедшего с акустического приемника 11 сигнала изменяет энергию накачки на блоке питания 9 или выдает управляющий сигнал на блок юстировки 10, тем самым стабилизируя эффективность лазерного удаления материала. Кроме того, при появлении локальных дефектов в структуре оптического волокна 4 (обычно они возникают на входе в волокно, так как плотность энергии в этом месте максимальна) возникающий в этом случае акустический сигнал также принимается тонкопленочным приемником 11, обрабатывается блоком управления 8, который в свою очередь вырабатывает сигнал опасности (звуковой, световой и т.д.) или выдает управляющий сигнал на блок питания 9 или блок юстировки 10 для стабилизации выходной энергии из средства доставки 2.

При измерении пропускания оптического волокна 4 два измерителя лазерной энергии 7 помещаются на оптическое волокно 4 на некотором расстоянии друг от друга, сигналы от обоих датчиков через схему сравнения 18 попадают в блок управления 8, который в зависимости от разности амплитуд обоих сигналов информирует пользователя о текущем значении пропускания, вырабатывает сигнал опасности (звуковой, световой и т.д.) или выдает управляющий сигнал на блок питания 9 или блок юстировки 10 для стабилизации выходной энергии из средства доставки 2. При совмещении функций измерителя энергии 7 и акустического приемника 11 в одном тонкопленочном приемнике 12 сигнал с приемника через блок раздельной обработки пироэлектрической и пьезоэлектрической компоненты 13 попадает на вход блока управления 8, который в зависимости от значения пришедших сигналов вырабатывает сигнал опасности (звуковой, световой и т.д.) или выдает управляющий сигнал на блок питания 9 или блок юстировки 10 для стабилизации выходной энергии из средства доставки 2.

Реализация данного устройства возможна при использовании блока питания PS2010-3 производства завода EKSMA (Вильнюс, Литва), лазерного излучателя на основе кристаллов рубина, иттрий-алюминиевого граната, активированного ионами неодима, иттрий-алюминиевого граната, активированного ионами эрбия и т. д. , оптического волокна КП-600 производства Ленинградского Завода Оптического Стекла (Санкт-Петербург, Россия), фокусирующих систем на входе и выходе оптического волокна, схемы сравнения, блока управления, блока раздельной обработки пироэлектрической и пьезоэлектрической компоненты сигнала и тонкопленочных приемников производства УНП "Лазерный Центр ИТМО" (Санкт-Петербург, Россия). В качестве обрабатываемого материала могут быть взяты объекты живой и неживой природы.