СаратовскийГосударственный Технический Университет
КафедраПБС
Модернизацияоптической системы лазерной установки «Квант-15»
Выполнил:ст-т гр.БМС-51
Проверил:Черепанов Д.В.
Саратов2008 г.
Содержание
Введение
Аннотация
1. Теоретическая часть
1.1 Медико-биологические основы взаимодействия лазерногоизлучения с кожей человека
1.1.1 Строение кожи человека
1.1.2 Воздействие лазерного излучения на кожу человека
1.1.3 Преимущества и недостатки лазерной эпиляции
1.1.4 Предельно-допустимые уровни лазерного излучения
1.2 Обзор промышленных аналогов
1.3 Обзор патентной и технической литературы
2. Расчётно-конструкторская часть
2.1 Описание конструкции установки «Квант-15»
2.1.1 Разработка общего вида установки
2.1.2 Описание принципа действия установки
2.2 Расчёт оптической системы
2.2.1 Расчет плотности мощности падающего лазерногоизлучения qпад. на кожу человека
2.2.2 Расчёт внутрирезонаторной диафрагмы
2.2.3 Расчёт параметров лампы накачки
2.2.4 Расчет линзы для ввода лазерного излучения в световод
2.2.5 Расчет линзы фокусировки лазерного излучения вэпиляторе
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Средивыдающихся научно-технических достижений ХХ века, одно из первых по правупринадлежит лазерам, т.е. оптическим квантовым генераторам. С создания в 1960г. первого твердотельного Рубинового лазера, началось бурное развитие лазернойтехники. Сегодня лазеры и лазерные системы нашли широкое применение во многихобластях науки, техники и медицины, в связи с этим был создан широкий арсеналлазеров и лазерных систем. Вызывает изумление тот путь, который медики иинженеры-оптики прошли за это время — от первых попыток применения лазеров вмедицине в середине 70-х годов, до начала применения в повседневной медицинскойпрактике в начале 80-х, затем до широкого и привычного применения во всехобластях медицины к концу ХХ-го века. Многие заболевания, в том числе опасныедля жизни, стали поддаваться лечению благодаря применению лазерных методов.Широкое применение лазеры нашли в косметологии, т.к. проблема избыточного роставолос на теле человека является одной из самых актуальных на данный момент,особенно для женского пола.
Существуетдва типа удаления волос с тела человека — эпиляция и депиляция. При депиляциипросто удаляются волосы, а при эпиляции удаляются волосы вместе с волосянойлуковицей. После депиляции волосы вырастают снова, а при эпиляции, изразрушенной волосяной луковицы волос не вырастет. К сожалению, любые видыэпиляции не позволяют избавиться от ненужных волос за одну процедуру. Сейчассуществуют множество видов как депиляции, так и эпиляции. К депиляцииотносятся: сбривание, воскование, удаление волос кремом, выщипывание, всеэлектродепиляторы. К эпиляции относятся: электроэпиляция, фотоэпиляция(лазерная эпиляция). Но ни один из выше перечисленных методов не сравнится поуникальности и универсальности с ЛАЗЕРНОЙ ЭПИЛЯЦИЕЙ. Ее принцип заключается вразрушающем воздействии лазерного луча на волосяной фолликул. Благодарялокальному, короткому по времени воздействию и быстрому охлаждению лазернаяэпиляция безболезненна. Отсюда основное преимущество этого вида эпиляции — возможность проведения процедуры в зонах с очень чувствительной кожей, а такжеотсутствие побочных явлений после проведения процедуры. Опыт работы на лазерныхаппаратах для эпиляции показывает, что их воздействие на кожу и организм совершеннобезопасно. Именно поэтому данный метод эпиляции не имеет никакихпротивопоказаний, и получил очень широкое распространение в медицине.
Аннотация
Целью данногокурсового проекта является модернизация лазерной установки «Квант-15М»,проведение патентно-информационного поиска подобных установок, выпускаемых намировом рынке, анализ их свойств, возможностей и технических характеристик ивыбор направления модернизации на его основе.
В курсовомпроекте произведен расчет параметров линзы фокусировки, для ввода лазерногоизлучения в световод; расчёт плотности лазерного излучения, падающего на кожучеловека, и расчёт изменения степени поглощения лазерного излучения разнымислоями кожи человека.
1. Теоретическаячасть
1.1Медико-биологические основы взаимодействия лазерного
излученияс кожей человека
1.1.1Строение кожи человека
Кожа с ееповерхностью 1,5-2 квадратных метра представляет собой самый большой органчеловеческого тела. Она выполняет многочисленные функции. Состояние кожизависит от возраста, питания и образа жизни. Особенно это касается кожи лица,потому что на ней сильнее сказываются все вредные воздействия окружающей среды.К тому же лицо — самая открытая часть кожных покровов и нуждается в тщательномуходе.
Наша кожа — это:
• около 5млн.волосков; — общая площадь поверхности кожи составляет 1,5-2 квадратныхметра;
• содержит60% влаги, у детей до 90%;• сто пор на каждый квадратный сантиметр;
• 200рецепторов на каждый квадратный сантиметр;
• средняятолщина кожи 1-2 мм;
• кожа чутьгрубее и толще на подошвах, тоньше и прозрачнее на веках;
• вес кожибез гиподермы составляет 4-6% общего веса тела;
• в среднем18 кг ороговевшей и вновь заменившейся кожи в течение всей жизни взрослогочеловека.
Кожа имееточень сложное строение, ее пронизывает огромное множество сосудов, нервов,протоков сальных и потовых желез.
Оченьупрощенно строение кожи можно описать так:
1. Наружныйслой кожи – эпидермис, образованный лежащими друг над другом в несколькодесятков слоев эпителиальными клетками. Верхняя часть эпидермиса, имеющаянепосредственный контакт с внешней средой, — роговой слой. Он состоит изсостарившихся и ороговевших клеток, которые постоянно слущиваются с поверхностикожи, и заменяются молодыми, мигрирующими из глубоких слоев эпидермиса. (Полноеобновление эпидермиса, например, на подошве длится около месяца, а на локтевомсгибе – 10 дней). Роговому слою мы обязаны тем, что наше тело не высыхает и внутрьне проникают чужеродные вещества и возбудители болезней. Существенную помощь вэтом оказывает так называемая защитная кислотная мантия (называемая такжегидро-липидной мантией), которая покрывает поверхность кожи тонкой пленкой. Онасостоит из жира сальных желез, из пота и из составных частей вязких субстанций,которые связывают отдельные роговые клетки. Защитную кислотную мантию можнорассматривать в качестве собственного крема кожи. Она слегка кисловата (посравнению со щелочной средой, потому и называется кислотной) — химическаясреда, в которой обычно погибают бактерии и грибки. В самом глубоком слоеэпидермиса расположены меланоциты – клетки, вырабатывающие пигмент меланин. Отколичества этого пигмента зависит цвет кожи – чем его больше, тем она темнее.Образование меланина усиливается под действием ультрафиолетовых лучей, именноон является причиной загара. У блондинов и рыжеволосых людей со светлой кожеймеланина намного меньше, чем у темноволосых и смуглых.
2. Следующийслой – дерма – также неоднороден. В его верхней части, расположеннойнепосредственно под эпидермисом, находятся сальные железы. Их выделения вместес секретом потовых желез образуют на поверхности кожи тонкую пленку –водно-жировую мантию, которая предохраняет кожу от вредных воздействий имикроорганизмов. Лежащие ниже эластичные волокна придают коже упругость, аколлагеновые волокна – прочность.
3. И,наконец, третий слой кожи – гиподерма (или подкожная клетчатка) – служиттеплоизолирующей прокладкой и смягчает механические воздействия на внутренниеорганы.
Собственнокожа состоит из двух слоев — сосочкового и сетчатого. В ней имеютсяколлагеновые, эластические и ретикулярные волокна, составляющие каркас кожи.
В сосочковомслое волокна нежнее, тоньше; в сетчатом они образуют более плотные пучки. Наощупь кожа плотна и отличается упругостью. Эти качества зависят от наличия вкоже эластических волокон. В сетчатом слое кожи расположены потовые, сальныежелезы и волосы. Подкожная жировая клетчатка в различных частях тела имеетнеодинаковую толщину: на животе, ягодицах, ладонях она развита хорошо; на ушныхраковинах красной кайме губ она выражена очень слабо. У тучных людей кожамалоподвижна, у худых и истощенных людей она легко смещается. В подкожнойклетчатке откладываются запасы жира, которые расходуются при болезнях или вдругих неблагоприятных случаях. Подкожная клетчатка защищает организм отушибов, переохлаждений. В собственно коже и подкожной клетчатке находятсякровеносные и лимфатические сосуды, нервные окончания, волосяные фолликулы,потовые и сальные железы, мышцы.
1.1.2Воздействие лазерного излучения на кожу человека.
Переворот втехнике эпиляции произошел в начале 90-х гг., когда для эпиляции сталоиспользоваться лазерное излучение. В основе техники лазерной эпиляции лежит тепловойэффект, который создается при поглощении света меланином волоса. Ее принципзаключается в разрушающем воздействии лазерного луча на волосяной фолликул, влуковице которого содержатся клетки с пигментом, поглощающим свет, лазерныйимпульс, воздействуя на пигмент, содержащийся в волосе, сам находит волос и,проникая по нему в волосяную луковицу, разрушает ее навсегда.
/>
Рис.1.Поглощающая способность кожного покрова человека
Из рис.1 мывидим, как изменяется поглощающая способность у каждого слоя кожи, дляопределённой длины волны лазерного излучения.
Помимотеплового, свет производит другие эффекты (фотоэлектрический, биостимулирующийи т.д.), однако при большой мощности источника излучения тепловые эффектыпреобладают. Узконаправленный лазерный луч, который практически нерассеивается, позволяет создать высокую плотность мощности излучения (мощностьизлучения, приходящаяся на единицу площади). Поэтому лазерное излучение создаетстоль значительный тепловой эффект, что происходит коагуляция, выпаривание(вапоризация) или обугливание (карбонизация) биологической ткани. И все же этоне значит, что лазерный луч является слепой разрушительной силой. Как мы сейчасубедимся, с помощью лазера можно достичь высокой селективности воздействия наткани.
Основнойпринцип фотобиологии заключается в том, что свет действует на биологическийобъект лишь в том случае, если объект поглощает свет. Нет поглощения — нетэффекта. В коже свет поглощается особыми веществами — хромофорами. Каждыйхромофор поглощает в определенном диапазоне длин волн. Основным хромофоромволос и кожи является меланин, который поглощает в УФ-диапазоне, а также ввидимой области с максимальным поглощением в диапазоне 350-700 нм. Краснаяграница спектра поглощения меланина доходит до инфракрасной области (1200 нм).Конкурентом меланина является гемоглобин, который поглощает в УФ-области, а ввидимой области имеет максимумы поглощения в диапазонах 450-500 и 500-600 нм.Белки, некоторые аминокислоты и нуклеиновые кислоты поглощают в УФ-диапазоне.Преобразование энергии лазерного луча в тепловую энергию может происходитьтолько в том случае, если излучение поглощается. Поэтому если какой-то участоккожи содержит хромофор, поглощающий при данной длине волны, а окружающиеучастки его не содержат, то нагревается только та область, где присутствуетхромофор. Однако вследствие переноса тепла происходит нагревание пограничныхобластей, даже если они не содержат или почти не содержат хромофоров.
Характервзаимодействия лазерного излучения с биологической тканью зависит от плотностимощности лазерного излучения и от времени взаимодействия.
При высокойстепени фокусировки (диаметр пятна 0,2 мм) наблюдается быстрое удаление тканииз области воздействия. При расфокусировке лазерного луча до 0,7 мм в диаметрескорость испарения тканей снижается, более эффективно используется тепловойразогрев тканей с четким формированием зоны коагуляции, величину которой можноварьировать, изменяя время контакта лазерного излучения с биотканями. Прирасфокусировке лазерного луча до 2 мм в диаметре имеет место относительнослабое тепловое воздействие на биоткани, приводящее к формированию зоны коагуляциив самых поверхностных слоях. При дальнейшей расфокусировке лазерного луча допятна с диаметром 7 мм плотность мощности снижается до уровня, используемогодля стерилизации поверхности ран (26 Вт/мм²). Для лазерной эпиляциииспользуется лазерное излучение с энергией импульса в среднем ≈ 0.3 мДж,и с диаметром пятна фокусировки ≈ 10 мкм.
1.1.3Преимущества и недостатки лазерной эпиляции
Благодарялокальному, короткому по времени воздействию (мкс) и быстрому охлаждению,лазерная эпиляция безболезненна и эффективна, поэтому анестезия не применяется.Быстрота метода поражает: менее 5 минут удаляются, например, волосы над верхнейгубой. Точность лазерных технологий настолько высока, что полностью исключаетошибку врача.
Другимнесомненным преимуществом лазерной эпиляции является высокий коэффициентудаления волос (kill ratio) — процент навсегда удаленных волос за однупроцедуру. Таким образом, за 3-5 процедур лазерной эпиляции вы избавляетесь отволос навсегда, а кожа станет безукоризненно гладкой и шелковистой.
Недостаткилазерной эпиляции — существующие ограничения при светлой коже и светлыхволосах, а также ее высокая стоимость по сравнению с другими методами. Оназависит от количества импульсов лазерного луча, что в свою очередь определяетсяплощадью эпиляции, количеством волос и их структурой (при жестких, темныхволосах — дороже, при мягких — дешевле).
1.1.4Предельно допустимые уровни лазерного излучения
Исследования, проведенные в последниегоды, позволили определить пороговые плотности энергии для кожи и глаз животных(экспериментальным путём) и людей (преимущественно при использовании лазеров вофтальмологических и хирургических клиниках), а затем рассчитать предельнодопустимые уровни для глаз и кожи человека. Предельно допустимые уровни лазерногоизлучения — это максимальные уровни излучения, которые при ежедневномвоздействии не вызывают у людей, работающих с лазерами, заболеваний илиотклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методамиисследования как в процессе работы, так и в отдаленные сроки. За ПДУ лазерногоизлучения принимаются энергетические экспозиции облучения тканей,представляющие собой отношение энергии излучения, падающей на рассматриваемыйучасток поверхности, к площади этого участка (Дж/см2). ПДУ разработаны для спектральногодиапазона от 0,2 до 20 мкм и регламентируются излучением на роговице, сетчаткеи коже.
Безопасные плотности энергии приоблучении кожи лазерами, работающими в режиме свободной генерации в видимомдиапазоне и в ближайших участках инфракрасного диапазона длин волн, составляют1-2 Дж/см2 для одиночного импульса и 0,1 Вт/см2 — для непрерывного излучения.
1.2 Обзорпромышленных выпускаемых образцов
По времени,производство лазерной техники в нашей стране можно разбить на 2 периода. Доначала 90-х годов эта аппаратура разрабатывалась и выпускалась крупнымипромышленными предприятиями, в первую очередь, НПО «Полюс». Здесь уместноупомянуть создателя и первого Генерального директора «Полюса» профессораМ.Ф.Стельмаха, внёсшего значительный вклад в становление лазерной отрасли вцелом и в организацию разработок и производства лазерной медицинской техники вчастности. По его инициативе в НПО «Полюс» было создано первое в странеподразделение, начавшее разработку лазерной медицинской аппаратуры. В начале 90-хрезко вырос интерес к лазерной технике в связи с расширением её применения вмедицине. В частности с внедрением твердотельных лазеров на рубиновом,александритовом активных элементах, а также на алюмо-иттриевом гранате снеодимом (АИГ:Nd).
В настоящеевремя отечественные лазерщики могут предложить здравоохранению сравнительнонедорогие, малогабаритные, надёжные лазерные установки, работающие от бытовойэлектросети (возможно и автономное питание). Эти аппараты просты в управлении,не нуждаются в постоянном инженерном обслуживании, а большое разнообразие длинволн даёт возможность врачу подобрать требуемый характер воздействия набиоткани. Всё это создаёт хорошие предпосылки для внедрения современнойлазерной медицинской аппаратуры и реализуемых с её помощью методов в массовоездравоохранение.
Развитиелазерных установок для эпиляции в России связано в большей степени с ГПО«Загорский оптико-механический завод», Центр физического приборостроения ИОФАН,«ЛОМО» Ленинград, СНПП «Исток-Лазер» Вязино, ООО «ИТ-Лагран» Москва.
Наиболееинтенсивное развитие проектирования лазерных установок для эпиляции получило вСША. Развитие в большей степени связано с деятельностью ведущихфирм-производителей в этой области, таких как “Coherent Radiation”, “MIRA” и “Optics Technology Inc.”, которые являютсяпредставителями передовой инженерной мысли. Также интенсивно ведется развитие втаких странах как Франция (ведущая фирма“Capsular”); Германия “Opteltek”, “Polytec” и “Meditec”; Израиль “Sharpan”;Южная Корея “Vondar Lazer” и Япония.
Со времениначала использования лазера в косметологии, развитие лазерных эпиляторов иподобной техники ведется по нарастающей. Это вызвано относительной легкостьюпроведения операций, её безболезненностью и дорогой стоимостью подобныхопераций.
Таблица 1.Технические показатели лазерных установок Прибор/Фирма-производитель/страна Наименование и единицы измерений
«Модель-25»
Россия «Лазулет», ООО «ИТ-Лагран» Россия «Эпилаг» ООО «ИТ-Лагран» Россия «PINACLE»HGM, США
IG-2,
HGM, США
Модерни-зируемый образец:
«Квант-15М», ООО «Резерв НК» Россия Длина волны излучения, мкм 1,064 0,26 1,064 1,06 0,532 1,06 Тип излучателя АИГ:Nd АИГ:Nd АИГ:Nd АИГ:Nd Аргоновый АИГ:Nd
Выходная мощность, Вт (энергия,
Дж) (25)
10 и 20
(2,5 и 5) (До 15) (0,02) 2
150-200
(15-20) Режим работы Импульс-ный Импульсный и импульсно- периодичес-кий Импульсный и импульсно- периодичес-кий Импульс-ный Непрерыв-ный, импульсный Непрерывный, Импульсный Длительность импульсов, мс 5-50 0,01 10 0,1-3 1.5;2;4;5
Макс. частота
повтореня импульсов, Гц 10 50 До 3 0,1-35 Диаметр пятна ЛИ, мкм 7-12 0,6 3-5-7 50-400 100-400 0,2-3 Пилотный лазер красный зеленый красный He-Ne видимое излучение
красный
(λ=0,63 мкм) Охлаждение Воздуш-ное Воздушное
Закрытый
Воздушно-Водяной контур - -
Закрытый
Воздушно-Водяной контур Питание аппарата, В/Гц
220-240/
50-60
110-220
50-60
220/240
50-60
220/
50
220/
50
220/
50-60
УстановкиЛазулет и Эпилаг, производства объединения «ИТ-Лагран» – это компактные,современные и удобные в использовании установки для лазерной эпиляции волос.При установке данных эпиляторов не требуется дополнительного специальногооборудования.
Разрабатываемаямодель лазерного эпилятора «Квант-15», по сравнению с его существующимизарубежными и отечественными аналогами имеет такие схожие признаки как длинаволны 1,064 мкм, длительность и мощность импульса, способ передачи излучения (спомощью оптического световода), тип охлаждения (воздушно-водяного), наличиепилотного лазера и способы изменения диаметра фокального пятна излучения (фокусировкаи дефокусировка).
В зависимостиот параметров лазера повреждение фолликулы может быть фотомеханическим, когдаосновным разрушительным фактором является быстрое расширение ткани принагревании, или фототермическим, когда происходит коагуляция, обугливание(карбонизация) или испарение (вапоризация). Наиболее проверенным типом лазера,использующегося на данный момент для эпиляции, является гранатовый (илинеодимовый) лазер. Этот тип лазера одобрен FDA (Foog and Drug Administration),- агенством в США, контролирующим введение в практику всех медицинских ипищевых препаратов и приборов (как лазер, который может применяться в качествеэпиляционной техники). В то время как сведения об эффективности других лазеровчасто противоречивы.
Генерациялазерного излучения в таком лазере осуществляется на переходах ионов неодима(Nd3+), которые встроены в алюмо-иттрий-гранатовые кристаллы (yttrium-aluminiumgarnet — YAG). Поэтому такой лазер чаще называют Nd:YAG лазер. Он излучает вближнем инфракрасном диапазоне (λ=1064 нм). Это излучение минимальнопоглощается в верхних слоях кожи и проникает в глубокие слои. Длительностьимпульса порядка 100 нс, то есть гораздо меньше, чем у других типов лазера.Также проводимая мной модернизация оптической системы установки позволитзначительно улучшить оптические характеристики при фокусировке пятна лазера(снижение расходимости пучка излучения и уничтожение паразитных пятен), путёмвнедрения диафрагмы в квантрон установки, выделяющей центральную моду пучка,тем самым также уменьшая мощность излучения лазера (до 15 Вт) и увеличиваяточность фокусировки пятна, что особенно немаловажно, т.к при использованиимодулированного излучения, с ростом мощности, значительно повышаетсявероятность вызвать механическое повреждение коагулируемой ткани (особенно прималом диаметре фокального пятна). Существенные различия между лазерами ссинхронизацией мод и свободной генерации заметны на частоте модуляции вплоть до100кГц. Рассмотренные мной в табл.1 аналоги, по оптическим показателям (такимкак размер пятна, регулируемая энергия импульса и управляемый режим работы)уступают установке «Квант-15М», что, по моему мнению, является существеннымпреимуществом при выборе направления модернизации.
1.3 Обзорпатентной и технической литературы
С целью определениянаправления модернизации лазерной установки «Квант-15М» был проведен патентныйпоиск и анализ патентной и технической литературы периода с 1992 по 2003 гг., ибыли исследованы устройства по классу В23К26/00, представляющие собойустройства для лазерной эпиляции и лазерной терапии. Выявлены сходные иотличительные моменты в конструкции, принципе действия, способахтранспортировки лазерного излучения и способах охлаждения лазерных установок.
Страныпоиска: Россия и ведущие страны мира (США, Швеция, Франция, Германия Япония).
В результатепроведенного поиска, были выявлены следующие основные цели, преследуемые приподаче заявок на патент: повышение точности наводки лазерного излучения,сокращение времени проведения операции, повышение эффективности воздействиялазерного излучения на кожу человека, снижение риска и последствий во времяпроведения процедуры эпиляции и в послепроцедурный период, локализациялазерного воздействия внутри фолликулы волоса, повышение надежности, упрощениеконструкции, уменьшение габаритных размеров, упрощение сборки и юстировки иуменьшение экономических показателей установок.
Рассмотренаразличная литература по конструированию и проектированию лазерных установок,таких авторов, как У. Диоли «Лазерная технология и обработка материалов», РэдиДж. «Действие мощного лазерного излучения», Рыкалин Н.Н., Углов А.А.«Теплофизические процессы при взаимодействии лазерного излучения с поглощающимисредами», Сухов Л.Т «Лазерная сварка» и многих других.
В процессепатентного анализа выявлены следующие ведущие Российские фирмы в данной отраслитехники:
ОАО«Раменское приборостроительное конструкторское бюро».
Научно-производственноеобъединение «Электронная техника»
ЗАО«Астрофизика»
Таблица 2.Обзор патентной литературы.Наименование объекта Страна заявителя Количество патентов, опубликованных заявок по годам 1992 1993-95 1998 2003 Приборы для лазерной эпиляции и терапии.
Россия
США
Швеция
Франция
Япония
Германия
2
1
1
1
-
-
3
1
1
-
1
1
1
-
2
-
2
1
3
-
2
-
-
-
Наиболееинтересными патентами, на мой взгляд, являются:
· повышениеточности наводки лазерного излучения и дозирования излучения; это отмечено впатентах №2042338RU, №2196558 RU, 9717011WO, 556204US, 4430720DE, 1768162RU, 2144342RU;
· повышениенадежности, упрощение конструкции, уменьшение габаритных размеров – 5643252US, 2042338RU, 930303RST, 1637795RU, 1768162RU, 92010458RU, 97113312RU;
· локализациялазерного воздействия на биологическую ткань – 1651777JP, 2197933RU, 4430720DE, 5565938US, 2164117RU, 6458120 US;
Длямодернизации лазерной эпиляционной установки «Квант-15М» была выбрана базоваяцель – повышение точности наводки лазерного излучения на область воздействиялазера, также для облегчения работы косметолога и из-за труднодоступностинекоторых зон эпиляции и сложным рельефом кожного покрова человека одним изосновных направлений модернизации установки была выбрана модернизацияоптико-механической системы, в частности замена телескопической системыкварцевым световодом по которому лазерное излучение будет передаваться непосредственнона эпилятор, при помощи которого врач легко сможет производить эпиляцию волос стела пациента; локализация воздействия лазерного излучения внутри фолликулыволоса, с помощью внедрения в оптическую систему внутрирезонаторной диафрагмы,для выделения модового состава излучения, уменьшения угловой расходимости иснижения мощности излучения; также была выбрана модернизация системы охлажденияи упрощение конструкции установки, уменьшение её габаритных размеров.
2.Расчетно-конструкторская часть
2.1Описание конструкции установки
2.1.1 Разработка общего вида установки
Общий видлазерной технологической установки должен быть таким, чтобы находящемуся нарабочем месте косметологу, производящему лазерную эпиляцию были доступны всеорганы управления установкой и видны необходимые контрольно — измерительныеприборы. Также лазерная технологическая установка должна отвечать какэстетическим требованиям, (окраска её не должна раздражать глаза работающего иобслуживающего персонала), так и требованиям безопасности. Наиболее важнымиаспектами в разработке общего вида лазерной технологической установки, конечно,являются компактность её блоков и безопасность работы на ней как длякосметолога, так и для пациента.
Чтобыобезопасить оператора от воздействия лазерного излучения при работе установки,работающей на длине волны 1.06 мкм, применяется специальный кварцевый световод,по которому лазерное излучение будет передаваться непосредственно на эпилятор,с помощью которого оно локализуется строго в точке фокусировки на коже, темсамым сводя к минимуму рассеивание и отражение лазерного излучения впространство и снижая риск его попадания в глаза косметолога. Для удобстванаведения лазера в нужную точку на коже человека, в установку был внедрёнполупроводниковый «пилотный» лазер, на «красной» длине волны 0,63 мкм.
2.1.2Описание принципа действия установки
Рис.2. Блок-схема прибора«КВАНТ-15».
/>
/> /> /> /> /> /> /> />
Оператор (косметолог) /> /> /> /> /> /> />
Описаниеблок-схемы прибора
Напряжение220В силовой сети переменного двухфазного тока поступает на блоки питаниялазера и щелевой лампы. Затем питание поступает на выпрямитель, и черезвыпрямитель на разрядный коммутатор. С помощью которого врач-офтальмолог задаетследующие необходимые параметры: мощность лазерного излучения, время экспозициии количество импульсов. После этого электрическая энергия W подаётся воптико-механическую систему для питания лампы накачки. Для получениянеобходимой длительности импульса в разрядной цепи емкостного накопителяустановлены катушки индуктивности. Для первоначальной ионизации разрядногопромежутка импульсной лампы питания лазера и поддержания его в проводящемсостоянии служит блок «поджига» и источник «дежурной дуги» соответственно.
Управлениемоментом начала разряда емкостного накопителя на импульсную лампу и отключениепоследней на период заряда накопителя производится разрядным коммутатором.
Лазервырабатывает мощный световой импульс в виде параллельного пучка лучей, которыйпоступает в оптическую систему оптико-механического блока, фокусирующегоизлучение на поверхность кожи пациента. Выпрямитель, источник тока и емкостнойнакопитель энергии служат для электропитания импульсной лампы питания лазера.
Системаохлаждения поддерживает нормальный тепловой режим работы лазера. В системеохлаждения используется пластиковый бак, насосы и теплообменники зарубежногопроизводства.
Для контроляэнергии импульса лазера служит индикатор энергии ИЭ-ЗА.
Системауправления СУМ-10А служит для управления источником питания.
Оптико-механическийблок имеет основание, на котором установлен лазер, который вместе с оптическойсистемой оптико-механического блока закрыты кожухами. К оптико-механическомублоку подсоединён кварцевый световод, по которому лазерное излучение подаётся наэпилятор, при помощи которого оператор (косметолог) удаляет волосы с кожичеловека. Управление включением и выключением лазерного излучения косметологпроизводит нажатием ногой на педаль, подсоединённую к блоку управления СУМ-10Аи установленную на полу, возле процедурного кресла.
2.2 Расчётоптической системы
Расчетоптической системы ведется по эквивалентным схемам с учетом главных плоскостей,апертурных углов и увеличения.
2.2.1Расчет плотности мощности падающего лазерного излучения
qпад. на кожу человека
/>(1.1)
/>(1.2)
Дляустановки «Квант-15М»
Длительностьимпульсов будет равна: τmin=5 мс=5*10-3с,
τmax=50 мс=5*10-2с, энергияимпульса Е=20 Дж, длина волны лазера λ=1.064*10-5 см, диаметр пятна лазераdср=0.001 см.
/>[см2](1.3)
Подставляем вформулу (1.2):
Дляминимальной длительности имульса τmin=5*10-3с:
/>/>(1.4)
Дляэпидермиса, коэффициент поглощения α=31см-1, глубина слоя 0,01 см. получим:
/>/>(1.5)
Для дермы,коэффициент поглощения α=23см-1, глубина слоя 0,02 см. получим:
/>/>(1.6)
Длямаксимальной длительности имульса τmax=5*10-2с:
/>/>(1.7)
Дляэпидермиса, коэффициент поглощения α=31см-1, глубина слоя 0,01 см, степеньотражения R=0.32получим:
/>/>(1.8)
Для дермы,коэффициент поглощения α=23см-1, глубина слоя 0,02 см. получим:
/>/>(1.9)
Дляустановки «Лазулет»
Длительностьимпульсов будет равна: τ=1*10-8с, энергия импульса
Е=3*10-4 Дж,длина волны λ=0.26*10-3 см, диаметр несфокусированного пятна (эпиляция волокном)d=0.06 см.
/>/>(1.10)
Подставляем вформулу ( qпад):
/>/>(1.11)
Дляэпидермиса, коэффициент поглощения α=1000см-1, глубина слоя 0,01 см.получим :
/>/>(1.12)
Для дермы,коэффициент поглощения α=26см-1, глубина слоя 0,02 см. получим:
/>/>(1.13)
Длясфокусированного пятна d=1*10-3 см.
/>/>(1.14)
Подставляем вформулу ( qпад):
/>/>(1.15)
Дляэпидермиса, коэффициент поглощения α=1000см-1, глубина слоя 0,01 см.получим:
/>/>(1.16)
Для дермы,коэффициент поглощения α=26см-1, глубина слоя 0,02 см. получим:
/>/>(1.17)
В таблице 2приведены рассчитанные характеристики для приборов «Квант-15» и «Лазулет», изкоторых видно как изменятся степень поглощения лазерного излучения взависимости от изменения глубины кожного покрова человека.
Таблица 2.Сравнение изменения степеней поглощения, в зависимости от глубины слоя кожи.Название установки Размер пятна, падающего на слой кожи [см] Время импульса [с] Степень поглощения qпогл [Вт/см2]
Эпидермис
Х=100 мкм
Дерма
Х=200 мкм «Квант-15М» d=1*10-3 τmin=5*10-3
/>
/> τmax=5*10-2
/>
/> «Лазулет» dнесф..=6*10-2 τconst=1*10-8с
/>
/> dсфокусир.=1*10-3
/>
/>
Из полученныхрезультатов видно, что с уменьшением времени воздействия лазерного излучения, ирадиуса пятна лазера, повышается степень поглощения qпогл кожи, причём укаждого слоя кожи — по разному. Из приведённых в таблице 2, полученныхрезультатов наглядно видно, как изменяется степень поглощения у эпидермиса идермы.
2.2.2Расчет параметров внедряемой в оптико-механическую
системувнутрирезонаторной диафрагмы
Рассчитаемдиаметр отверстия внутрирезонаторной диафрагмы, с учётом заданных и требуемыхпараметров. Он находится из формулы для площади отверстия. (Площадьотверстия=5% от общей площади диафрагмы).
/>(1.18)
/>/>(1.19)
/>/>(1.20)
Из формулы(1.18) находим нужный диаметр отверстия:
/>/>(1.21)
Рассчитаемугол расходимости Θ для полученного отверстия диафрагмы:
/> [Рад](1.22)
Если лазерработает на моде высокого порядка, то его можно перевести на Гауссову (нулевую)моду (ТЕМ00), путём введения внутрь резонатора круглой диафрагмы.
Последовательновводя в резонатор диафрагмы всё меньших диаметров, можно добиться работы толькона ТЕМ00. Как правило, это связано с потерей мощности (что впрочем нам инужно), однако получаемое снижение угла расходимости и упрощениепространственной диаграммы могут в некотором смысле компенсировать эти потери.
2.2.3Расчет предельных характеристик ламп накачки ИНП3-7/80А
Рассчитаемнапряжения, подаваемые на клеммы лампы накачки. Исходные данные: ёмкостьконденсатора С=100мкФ, Предельная энергия импульса Епред=400 Дж.
/>(1.23)
/>(1.24)
/>(1.25)
Соответственнорассчитаем:
1. С=100 мкФ />В(1.26)
2. С=150 мкФ />В(1.27)
3. С=200 мкФ />В(1.28)
4. С=250 мкФ />В(1.29)
5. С=300 мкФ />В(1.30)
6. С=350 мкФ /> В(1.31)
2.2.4Расчет линзы для ввода лазерного излучения в световод
Данная линзаявляется двояковыпуклой и выполнена из стекла марки К8. Она формирует пучок скруговым сечением и используется для трансформации ленточной формы пучкаизлучения, идущего с рабочего лазера, а также для фокусировки лазерногоизлучения в световод, для дальнейшей транспортировки его к эпилятору.Рассчитаем её параметры. Исходные данные: диаметр кварцевого световода d=0.6мм; входной световойдиаметр Dсв=6,3мм(диаметр активного элемента); расходимость излучения Θ=0.001 рад; частоталазерного излучения λ=1.064*10-3м-1; кратность />=3; Т.к. мы ввеливнутрирезонаторную диафрагму, то считать будем фокусировку для центральной модыТЕМ00, то m=0.Расчетные формулы для неё имеют следующий вид:
Находим фокуслинзы из формулы:
/>/>(1.32)
/>/>(1.33)
/>[мм](1.34)
2.2.5Расчет линзы для фокусировки лазерного излучения в
эпиляторе
Данная линзаявляется двояковыпуклой и выполнена из стекла марки К8. Она формирует пучок скруговым сечением, а также фокусирует лазерное излучение, выходящее изсветовода, в эпиляторе на кожу человека. Рассчитаем её параметры. Исходныеданные: диаметр кварцевого световода D=0.6мм; Считаем, что выходной световой диаметр d=0,3мм (диаметр пятналазера), т.к. берём среднее значение; расходимость излучения Θ=0.1 рад;частота лазерного излучения λ=1.064*10-3м-1; кратность />=3; Т.к. мы ввеливнутрирезонаторную диафрагму, то считать будем фокусировку для центральной модыТЕМ00, то m=0.Расчетные формулы для неё имеют вид:
Находим фокуслинзы из формулы:
/>/>(1.35)
/>/>(1.36)
/>[мм](1.37)
Заключение
В данномкурсовом проекте была проведена модернизация оптической схемы лазернойустановки для эпиляции волос «Квант-15» путем внедрения в неё кварцевогосветовода, а также усовершенствованием. Соответственно, проведен расчетмодернизированной оптической системы.
В процессевыполнения данного курсового проекта были выявлены основные направления длямодернизации данной установки:
· Первое– повышение точности наводки лазерного излучения на область воздействия лазера,также для облегчения работы косметолога и из-за труднодоступности некоторых зонэпиляции и сложным рельефом кожного покрова человека одним из основныхнаправлений модернизации установки была выбрана модернизацияоптико-механической системы, в частности замена телескопической системыкварцевым световодом по которому лазерное излучение будет передаватьсянепосредственно на эпилятор, при помощи которого врач легко сможет производить эпиляциюволос с тела пациента;
· Второе- локализация воздействия лазерного излучения внутри фолликулы волоса, спомощью внедрения в оптическую систему внутрирезонаторной диафрагмы, длявыделения модового состава излучения, уменьшения угловой расходимости иснижения мощности излучения
В процессерасчета был выбран световод d=600 мкм. Типа кварц-кварц, со следующими техническимихарактеристиками: длина световода l=2 м., потери при прохождении излучениячерез световод из-за неоднородности материала не более 50%. Были рассчитаныпараметры внутрирезонаторной диафрагмы, линзы фокусировки для введенияизлучения в световод и фокусировки излучения на коже человека (в эпиляторе).
Также былирассчитаны изменения степеней поглощения лазерного излучения кожей, отдельнымислоями (эпидермис, дерма) для установок «Квант-15М» и Лазулет, для анализазависимости изменения степени поглощения кожи от размера фокусирующего пятна ипродолжительности импульса.
Также былавыбрана модернизация системы охлаждения и упрощение конструкции установки,уменьшение её габаритных размеров и внедрение в оптико-механическую системупилотного лазера, для удобства наведения луча лазера на нужную точку на кожечеловека, во время процедуры эпиляции.
Списокиспользуемой литературы:
1. Дж.Рэди. Действие мощного лазерного излучения. Перевод на русский язык. –М.: Изд –во “ Мир “, 1974. -468с.
2. ТучинВ.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. – Саратов:Изд-во Сарат. ун-та, 1998.-384 с.
3. КлимковВ.В. Основы расчёта оптико-электронных приборов с лазерами, Москва «Советскоерадио», 1978.-264 с., ил.
4. Справочникконструктора оптико-механических приборов. /В.А. Панов, М.Я. Кругер, В.В. Кулагини др.; Под общ. ред. В.А. Панова.– Л.: Машиностроение, Ленингр.отд-ние, 1980. – 742 с.
5. БегуновБ.Н. Геометрическая оптика. – М.: МГУ, 1966. – 210с.
6. АмбарцумянМ.А. Применение полупроводниковых лазеров. //Лазерная техника иоптоэлектроника,1992,№3-4. с.62-74.
7. МалышевБ.Н. Лазерная медицинская техника в НИИ «Полюс».// Лазерная техника иоптоэлектроника, 1991,№4-5. с.45-63.
8. БегуновБ.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем. М., «Машиностроение», 1973 — 488с.
9. ПриезжевА.В., Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Лазерная диагностика в биологии и медицине. –М.: Наука, 1989. – 203 с.
10. Статьяиз интернета, с сайта www.medteh.ru «ФОТОЭПИЛЯЦИЯ: научный и практическийаспекты», Нина Цисанова — врач-дерматолог, косметолог, ведущий специалист вРоссии по методам селективного фототермолиза. 2003 г.