устройство для облучения поверхности лазерным излучением

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ, включающее установленные по одной оптической оси лазер, первую оптическую систему для ввода пучка света лазерного излучения в световод, входной торец которого закреплен в удерживающем приспособлении, вторую оптическую систему для направления выходящего из световода света на облучаемую поверхность, отличающееся тем, что, с целью повышения равномерности интенсивности облучения большой поверхности, световод образован многомодовым волокном длиной в несколько метров, а вторая оптическая система представляет собой проекционную систему в виде микроскопа.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объектив микроскопа расположен на малом расстоянии перед торцевой поверхностью многомодового волокна.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что объектив микроскопа для многомодового волокна имеет диаметр 200 мкм и числовую апертуру 0,45.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объектив микроскопа имеет 20-кратный коэффициент увеличения, а его окуляр имеет 12-кратный коэффициент увеличения.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая оптическая система для ввода пучка света лазерного излучения в многомодовое волокно представляет собой объектив микроскопа с числовой апертурой 0,45 и коэффициентом увеличения 20.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что микроскоп имеет средства для грубой и точной юстировки.

7. Устройство по пп.1 - 5, отличающееся тем, что проекционная система совместно с выходным концом многомодового волокна закреплена в зажимном приспособлении, установленном с возможностью перемещения в осевом направлении параллельно освещаемой поверхности.

8. Устройство по пп.1 - 7, отличающееся тем, что многомодовое волокно имеет участок, свернутый в спираль.

9. Устройство по пп.1 - 8, отличающееся тем, что участок многомодового волокна, расположенный между торцевой входящей и торцевой выходящей поверхностью связан с вибрационным средством.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что вибрационное средство имеет вал с возвратно-поступательным вращением, связанный с оболочкой многомодового волокна, продольная ось которого проходит параллельно короткому участку световода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается устройства для облучения поверхности лазерным излучение с помощью нагружаемого лазерным пучком света оптического устройства, включающего многомодовое волокно.

Известно устройство, содержащее установленные по одной оптической оси лазер, первую оптическую систему для ввода пучка света лазерного излучения в световод, входной торец которого закреплен в удерживающем приспособлении, вторую оптическую систему для направления выходящего из световода света на облучаемую поверхность (заготовку).

Недостатком известного устройства является то, что свет, выходящий из световода, фокусируется на сравнительно очень малую поверхность для того, чтобы по возможности сконцентрировать энергию в малой точке и иметь возможностью обрабатывать заготовку этой концентрированной энергией.

При такой системе, как в других известных устройствах, лазерный световой поток имеет неоднородную плотность распределения, при этом плотность по оси лазерного светового пучка является максимальной и постепенно понижается по сторонам. Однако для светодинамического лечения рака кожи, а также для облучения в лабораторных условиях клеточных культур желательно равномерно и точно освещать большие площади, чтобы получать постоянные и хорошо воспроизводимые результаты. Резкое падение плотности света сбоку от светового пучка требуется особенно в том случае, когда селективность использованной химической субстанции мала для того, чтобы избежать повреждения здоровой ткани рядом с опухолью.

Целью изобретения является повышение равномерности интенсивности облучения большой поверхности.

Цель достигается за счет того, что устройство включает световод, образованный многомодовым волокном длиной в несколько метров, а оптическая система представляет собой проекционную систему в виде микроскопа.

В предпочтительном примере выполнения изобретения проецирование осуществляется с помощью микроскопа, объектив которого расположен на малом расстоянии перед торцовой поверхностью многомодового волокна таким образом, что продольная ось многомодового волокна находится на одной прямой с продольной осью объектива микроскопа. Под объективом микроскопа понимается объектив с большей числовой апертурой, чем у многомодового волокна, предпочтительно объектив с числовой апертурой приблизительно 0,45, что позволяет получать с выходного торца многомодового волокна промежуточное изображение с десяти - стократным увеличением, предпочтительно с двадцатикратным увеличением. Согласно примеру выполнения изобретения промежуточное изображение с помощью окуляра микроскопа с двенадцатикратным увеличением воспроизводится затем на облучаемой поверхности, так что при диаметре сердцевины в 200 микрон для многомодового волокна высвечивается диск диаметром 4,8 см с прямоугольным распределением интенсивности.

В качестве первой оптической системы для ввода пучка света лазерного излучения в многомодовое волокно служит объектив микроскопа с числовой апертурой 0,45 и коэффициентом увеличения 20. Чтобы получить четкое изображение на высвечиваемой поверхности и скомпенсировать дистанционные изменения, микроскоп снабжен средствами для грубой и точной юстировки. Проекционная оптика вместе с выходным концом многомодового волокна, закреплена в зажимном приспособлении, установленном с возможностью перемещения в осевом направлении параллельно освещаемой поверхности для установления заданного расстояния для заданного размера высвечиваемой поверхности.

Многомодовое волокно для экономии места в среднем участке предпочтительно свернуто в спираль. Особо высокая однородность (гомогенность) дозы облучения достигается в том случае, когда на участке между торцовой входящей и выходящей поверхностями многомодового волокна установлен вибратор, который приводит многомодовое волокно в изгибные колебания. Такой вибратор состоит из вала с возвратно-поступательным вращением, продольная ось которого проходит параллельно короткому участку многомодового волокна и свободный конец которого соединен с оболочкой многомодового волокна. В результате вибрации и встряхивания происходит благодаря временному усреднению гомогенизация крапа и тем самым также через оптимальное более короткое время облучения высокая оптическая гомогенность дозы. Для глаза наблюдателя создается гомогенное не содержащее крапа зрительное впечатление, если вибрация имеет частоту, превышающую временную разрешающую способность глаза.

На чертеже схематично показано устройство, вид сбоку.

Рельсы оптической скамьи 1, которая может быть использована для монтажа устройства для обширного и гомогенного облучения. На первом держателе 2 оптической скамьи 1 установлено устройство 3 позиционирования в прямоугольной системе координат для держателя объектива 4 микроскопа, который имеет, например, числовую апертуру 0,45 и двадцатикратное увеличение.

Объектив 4 микроскопа служит для фокусирования лазерного светового пучка 5, распределение интенсивности которого в поперечном сечении является в общем колоколообразным, так что интенсивность в середине лазерного пучка является наивысшей и постепенно падает к краю. Устройство, показанное на чертеже, служит для того, чтобы таким образом преобразовать колоколообразное распределение интенсивности по поперечному узкого лазерного светового пучка, чтобы на рабочей поверхности 6 однородно и равномерно было высвечена облученная поверхность 7 диаметром в несколько сантиметров и на краю облученной поверхности имелось скачкообразное снижение интенсивности в соответствии с прямоугольным распределением интенсивности.

Второй держатель 8 на оптической скамье 1 имеет устройство позиционирования в прямоугольной системе координат с держателем 9 волокна для первого конца многомодового волокна 10. Многомодовое волокно 10 имеет, например, диаметр сердцевины в 200 микрон и диаметр оболочки в 280 микрон. Его числовая апертура составляет приблизительно 0,21. Особо однородное высвечивание поверхности 7 получается тогда, когда применяют ступенчатое индексное волокно.

Входная торцовая поверхность 11 зажатого в держателе 9 волокна первого конца многомодового волокна 10 находится от объектива 4 микроскопа на расстоянии, немного большем расстояния наиболее узкого места выходящего из объектива 4 микроскопа фокусированного лазерного светового пучка, чтобы получилась оптимальная световая подпитка и юстировка.

Поданная во входную торцовую поверхность 11 световая энергия распространяется в многомодовом волокне 10, которое имеет длину, например, приблизительно 5 м и частично уложено в форме спирали 12. Вследствие неточной длины и изгибов многомодового волокна 10 в его сердцевине происходит смещение мод, так что на выходном торце 13 многомодового волокна 10 может наблюдаться равномерное распределение интенсивности света по площади поперечного сечения сердцевины многомодового волокна 10.

Особо высокая средняя гомогенность (однородность) может быть достигнута благодаря временным данным крапа тем, что ступенчатое индексное волокно или многомодовое волокно 10 на участке спирали 12 или в другом месте с помощью не показанного на чертеже вибратора приводится в колебания, в частности изгибные колебания. Вибратор может быть при этом установлен, например, в середине многомодового волокна 10 и может иметь вал с электрическим приводом, который при вращении совершает возвратно-поступательно колебания и который своим концом, проходящим параллельно многомодовому волокну 10, механически связан с оболочкой многомодового волокна 10. В качестве устройства для такого рода дальнейшего улучшения гомогенности распределения света на торце 13 вследствие исключения крапа может быть использован привод электрической зубной щетки, который работает от батареек и тем самым является компактным и не зависит от остального устройства. Соединение оболочки многомодового волокна 10 с колебательно-вращающейся цапфой привода зубной щетки может быть при этом выполнено с помощью рейки длиной в несколько сантиметров, которая одним своим концом насажена на цапфу зубной щетки, а на другой стороне имеет зажим, который захватывает оболочку многомодового волокна 10 в колебательное движение.

Выходной конец многомодового волокна 10 с торцом 13 закреплен в кронштейне 14, удерживаемом третьим держателем 15 на оптической скамье 1. Далее третий держатель 15 имеет поперечину 16, соединенную с корпусом и тубусом 18 микроскопа 17, который, как принято, имеет колесный привод 19 для точной юстировки и колесный привод 20 для грубой юстировки.

На чертеже в микроскопе 17 показаны положение различных линз и хода лучей. Микроскоп 17 имеет объектив 21, входная линза которого расположена в зависимости от ее фокусного расстояния на расстоянии от 1 до 100 мм, в частности от 1 до 2 мм, от торца 13 многомодового волокна 10. Объектив 21 имеет, например, числовую апертуру 0,45 и формирует вблизи окуляра 22 микроскопа 17 промежуточное изображение 23, увеличенное в двадцать раз по отношению к отображенному объективом 21 торцу 13. Поскольку сердцевина многомодового волокна 10 высвечена равномерно, в то время как входная поверхность оболочки многомодового волокна 10 остается темной, то промежуточное изображение 23 имеет в радиальном направлении прямоугольное распределение интенсивности света в соответствии с распределением интенсивности света непосредственно на торце 13 многомодового волокна 10.

Промежуточное изображение 23 и тем самым торец 13 многомодового волокна 10 с помощью окуляра 22 микроскопа 17 отображается в виде освещенной поверхности 7 на рабочую поверхность 6. Если окуляр 22 микроскопа имеет увеличение 12, то микроскоп 17 позволяет тем самым выполнить проекцию выходного торца 13 многомодового волокна 10 на рабочую поверхность 6 с общим увеличением 240. При диаметре сердцевины в 200 микрон освещенная поверхность 7 имеет диаметр 4,8 сантиметров. Свет падает на освещенную поверхность 7 в основном отвесно. Оптическая доза распределена весьма равномерно и скачкообразно падает на краю освещенной поверхности 7. Таким образом оптическая доза может быть локализована с очень большой равномерностью и возможностью воспроизведения. Перпендикуляр на освещенную поверхность 7 совпадает при этом с продольной осью микроскопа 17 и с перпендикуляром на торец 13 на зажатом в кронштейне 14 выходном конце многомодового волокна 10.

Для получения точного центрирования продольной оси многомодового волокна 10 в зоне торца 13 и установки торца 13 под прямым углом к продольной оси объектива 21, кронштейн 14 имеет соответствующую державку.

Идея устройства заключается в том, чтобы получить отображение гомогенного освещенного торца 13 многомодового волокна 10, в частности ступенчатого индексного волокна, на рабочей поверхности 6, которой является кожный покров пациента или животного, или поверхность в чашке Петри.