【正文】 生物組織發(fā)生形態(tài)或機(jī)能改變的現(xiàn)象， 為第二類激光生物效應(yīng)。第一類激光生物效應(yīng)是激光診斷的依據(jù)，第二類激光生物效應(yīng)則是激光治療疾病的基礎(chǔ)。 激光作用于生物體產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)，既與激光的參數(shù)如激光的波長、 功率、能量、振蕩方式 、模式、偏振及作用時(shí)間有關(guān)，也與作用的生物組織性 質(zhì)，包括物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及生物學(xué)性質(zhì)有關(guān)。 發(fā)生激光生物效應(yīng)的過程稱為激光生物作用，對于第二類激光生物效 應(yīng)，在激光與生物組織相互作用時(shí)，通常要經(jīng)過兩個(gè)過程，才能最終導(dǎo)致生物組織發(fā)生形態(tài)或機(jī)能的改變。 機(jī)體的不同部位對激光吸收程度不同，相同部位對不同波長激光吸收程度也不同 ， 所以不同波長的激光對機(jī)體的治療程度千差萬別。 在醫(yī)學(xué)上，由于強(qiáng)激光和弱激光的生物作用機(jī)理不同，所以在臨床應(yīng)用和基礎(chǔ)研究時(shí)其目的和方法也不同。強(qiáng)激光和弱激光的定義為：激光照射生物組織后若直接造成了該生物組織的不可逆損傷，此受照表面處的激光稱為強(qiáng)激光；若不直接造成生物組織的不可逆損傷，則稱為弱激光，也稱為低功率激光或低強(qiáng)度激光 [3]。 現(xiàn)如今，在臨 床上， 單一波長的半導(dǎo)體激光治療儀已經(jīng)不能滿足需求，設(shè)計(jì)出低成本，雙波長，治療范圍大的半導(dǎo)體激光治療儀已成為半導(dǎo)體激光研究的重中之重，具有遼遠(yuǎn)的市場前景。 本論文主要介紹 980nm 和 808nm 激光組合成的半導(dǎo)體激光治療儀的設(shè)計(jì)和研究。 雙波長的治療儀相比較傳統(tǒng)激光器和單波長激光器在治愈傷口上更快、更牢固、 更平整，是一種未來可觀治愈傷口的方法 [4]。 如下表 11為各個(gè)公司對不同波長激光燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 器的研制情況。 表 11 國際半導(dǎo)體激光治療儀研制狀況 (nm) 波長 公司 波長 公司 630 英國 Diomed公司 980 德國 biolitec公司 690 德國 Carlzeiss公司 以色列 KaVo公司 810 英國 SURGILAS公司 西班牙 intermedic 美國 BIOLASE公司 以色列 MSq公司 美國 Lumenis公司 意大利 Quanta system公司 德國 biolitec 美國康奧公司 意大利 lasering公司 美國 SDSG公司 以色列 Alma 意大利 lasering公司 西班牙 INTERMEDIC 美國 candela公司 德國 Asclepionmeditec公司 1320 美國 Relient公司 915 意大利 Dlmedica公司 美國 candela公司 美國 Eleme Medical公司 1450 美國 Reliant公司 940 韓國 Eins Med公司 1470 德國 biolitec公司 西班牙 Dornier Medtech公司 西班牙 Dornier Medtech 德國 ARC公司 1540 意大利 EML公司 意大利 quanta system公司 美國 Reliant公司 美國 BIOLASE公司 法國 quantelmedical公司 半導(dǎo)體激光治療儀的原理 當(dāng)滿足泵浦原和增益介質(zhì)以及諧振腔三個(gè)條件時(shí)，激光才能產(chǎn)生。激 光 發(fā)射必須滿足高能態(tài)粒子多余低能態(tài)粒子 ，之后再高能態(tài)的粒子再躍遷上低能態(tài)上。其中泵浦源起到激勵(lì)的作用，它將低能態(tài)的粒子反轉(zhuǎn)到高能態(tài)上。諧振腔使激射光子反饋到腔內(nèi)增加，從而能使激光產(chǎn)生震蕩 [3]。 激光在臨床醫(yī)療中有強(qiáng)弱之分 (高強(qiáng)度激光和低強(qiáng)度激光 )。當(dāng)激光作用于生物組織時(shí)，會發(fā)生不同的反應(yīng)，包括電磁效應(yīng)、 光化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、 熱效應(yīng)和壓強(qiáng)效應(yīng)以及光刺激[5]。當(dāng)高強(qiáng)度的激光作用于機(jī)體時(shí)，瞬時(shí)的高強(qiáng)度能量對病變組織起到治療作用 例如激光手術(shù)。而低強(qiáng)度激光因?yàn)槟芰康蛯C(jī)體造成的損害可逆且通過刺激組織達(dá)到治療的目的。低強(qiáng)度激光常見于激光美容。 研究半導(dǎo)體激光治療儀的意義 隨著現(xiàn)代醫(yī)療的改革， 傳統(tǒng)的治療方式已無法滿足如今的治療需求，每一個(gè)家庭和社第 1 章 緒論 3 會成員對儀器的個(gè)性化和職能化有了更高的要求。低強(qiáng)度激光的刺激可以改善機(jī)體的免疫、神經(jīng)、組織等系統(tǒng)，使病態(tài)機(jī)體恢復(fù)健康。高強(qiáng)度激光通過照射 機(jī)體，從根本上改變病變組織，達(dá)到治療作用。不同強(qiáng)度的激光治療作用不同，不同波長和類性的激光對機(jī)體的治療也不同 [4]。（不同波長的激光治療范圍見 表 12） 所以對激光治療研究很有實(shí)際價(jià)值。 激光技術(shù)未普及之前，常用到的激光照射治療儀是 HeNe 激光治療儀。該治療儀的光束質(zhì)量高、功率輸出穩(wěn)定、各項(xiàng)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在治療冠新病、腦種風(fēng)、懂脈硬華癥、心角疼等疾病中效果良好 [6]。早在 20世紀(jì)八十年代，前蘇聯(lián)的科學(xué)家首次運(yùn)用該技術(shù)治療血管閉塞癥。到了 1990 年，我國的王鉄旦教授引進(jìn)該技術(shù) ，經(jīng)過試驗(yàn)和研究，證明了該技術(shù)的安全性 和有限性 [7]。 HeNe 激光治療儀雖有種種優(yōu)點(diǎn)和其自身的特點(diǎn)。但是其龐大的體積、復(fù)雜的驅(qū)動以及較高的成本，同時(shí)在治療機(jī)體時(shí)，能量的不可控制性，常常對組織造成不可逆的傷害，且攜帶和使用不方便，需要有非 常專業(yè)的人員操作 ，所以這種儀器常常適用于大中型醫(yī)院。 而現(xiàn)在的半導(dǎo)體激光治療儀不僅體積小，可以隨身攜帶，而且成本較低，輸出穩(wěn)定性高。隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，激光的聚集方向統(tǒng)一、單色性高且相干性較高，光束質(zhì)量大大的提高 [8]?，F(xiàn)在半導(dǎo)體激光治療儀因其操作簡單， 已被許多家庭接受，具有較開闊的市場?，F(xiàn)在半導(dǎo)體技術(shù) 已和多種技術(shù)結(jié)合，增加了治療的顯著性和安全性，既降低了患者的痛苦，也放置了血液的交叉感染，達(dá)到安全快速治療疾病的目的。為我們投入到該治療儀的研究提供了契機(jī) [9]。 表 12 不同波長治療范圍表 波長 /nm 功率 運(yùn)行模式 應(yīng)用 可 見 光 531 低 連續(xù) 常規(guī)眼底激光光凝術(shù) 631671 低 連續(xù) 癌癥的光動力學(xué)治療 651 低 連續(xù) 各種急慢性鼻炎：穴位照射，活血化瘀， 抗炎消腫，殺菌止疼等 紅 外 光 781911 低 連續(xù) 牙齒、口腔急慢性炎癥；血管照射； 針灸理療等 811981 高 連續(xù) 外科手術(shù)中氣化，激光手術(shù)刀 811 中 微脈沖 經(jīng)鞏膜睫狀體光凝神術(shù)；閥下光凝 80 810 中 脈沖 脫毛 981 中 脈沖 除皺 1451 中 脈沖 去除粉刺、痤瘡等；除皺 1471 高 連續(xù)、脈沖 外科手術(shù)中的汽化，激光手術(shù)刀 15411551 中 脈沖 去除粉刺、痤瘡等；除皺 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 半導(dǎo)體激光治療儀的發(fā)展?fàn)顩r 半導(dǎo)體激光治療儀雖然應(yīng)用前景非常廣闊， 較傳統(tǒng)激光治療儀攜帶方便、治療徹底、衛(wèi)生健康等特點(diǎn)，但 是現(xiàn)階段仍然遇到很多問題。 例如 如 單波長治療儀 治療范圍小，兩臺治療儀同時(shí) 使 用成本較高；激光器的 PN 結(jié)脆弱，導(dǎo)致治療儀的使用壽命短；半導(dǎo)體激光治療儀治療過程中，溫度對其造成的負(fù)面影響；不穩(wěn)定的外界條件對治療儀的不利影響等等，都是消費(fèi)者對半導(dǎo)體激光治療儀望而卻步的原因 [10~12]。 （如圖 11為半導(dǎo)體激光治療儀實(shí)物圖） 圖 11 半導(dǎo)體激光治療儀實(shí)物圖 對此，本次課題設(shè)計(jì)，通過前輩們的研究以及市場對新型半導(dǎo)體激光治療儀的訴求展開了研究。 通過調(diào)查研究、查閱資料以及老師輔導(dǎo)，針對上述未解決的問題，展開討論設(shè)計(jì)。通過不斷地學(xué)習(xí)，參考其他激光儀器的性能和設(shè)計(jì) ，完善本次治療儀的功能設(shè)計(jì)，使在解決相應(yīng)問題的基礎(chǔ)之上，讓半導(dǎo)體激光治療儀更加智能化。 第 2 章 半導(dǎo)體激光治療儀的設(shè)計(jì)要求 5 第 2章 半導(dǎo)體激光治療儀的設(shè)計(jì)要求 半導(dǎo)體激光器的工作性質(zhì) 半導(dǎo)體激光原器件是用一些半導(dǎo)體性質(zhì)的材料做 為工作基礎(chǔ)而產(chǎn)生 激 光之后再 振蕩放大 的 器件 ， 由于一種特定 的 激 勵(lì) 形 式 ， 它 在 半導(dǎo) 體 的 物質(zhì) 價(jià) 帶與 導(dǎo) 帶之 間 ， 或 者 半導(dǎo) 體 性質(zhì)的 物質(zhì)的能 量 帶 與雜 物 質(zhì) (受主 或 施主 )的 能 量 級 之 間 ， 完成 不能 平衡 的 載 流 粒 子 的數(shù) 量 反轉(zhuǎn) ， 當(dāng) 大量的 electron 在 粒子 的 數(shù) 量為 反轉(zhuǎn) 的 狀態(tài) 下且 與空 的穴配合時(shí)，就有了 受激 流 發(fā)射 光子的現(xiàn)象 。兩個(gè)半導(dǎo)體性質(zhì)的晶 體面構(gòu)成一對平行的反射面，受到刺激的光子 就在這對鏡面構(gòu)成的諧振腔內(nèi)來回不斷傳播而能量增強(qiáng)。當(dāng)光增加的能量大于等于光消耗的能量時(shí)，便產(chǎn)生光輻射，發(fā)出激光。 激光的發(fā)生必須滿足粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)和達(dá)到一定的閾值。就這兩點(diǎn)看來該研究的激光器和普通類型的沒有大的差別。即，必須滿足高能態(tài)粒子在數(shù)量上多于低能態(tài)粒子 。粒子反轉(zhuǎn)所造成的增益能填補(bǔ)有能介源的內(nèi)部消耗和輸出消耗，激光由此產(chǎn)生。半導(dǎo)體激光器和其他激光器也有不同之處，半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的電子存在同一能量狀態(tài)下的不同能帶之間的，而普通激光器的電子分布在不同能級的有源介質(zhì)上 的，粒子反轉(zhuǎn)時(shí)，方式也不相同 （半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式如表 21所示） 。 表 21 半導(dǎo)體激光器激勵(lì)方式 激勵(lì)方式 控制方式 電注入式 半導(dǎo)體材料的光面結(jié)型二極管，靠著正向電壓釋放電流產(chǎn)生激勵(lì)，在光面區(qū)域產(chǎn)生激光發(fā)射。 光泵式 常用 p型和 n型的半導(dǎo)體晶塊做基礎(chǔ)物質(zhì)，用另外的激光器作為引導(dǎo)發(fā)出的激光作為光泵激勵(lì)。 高能電子束激勵(lì)式 P型和 n型半導(dǎo)體晶片作為基礎(chǔ)物質(zhì)，通過從外部注入很高的能量，使電子書產(chǎn)生激勵(lì)。 對于半導(dǎo)體激光器，電注入激勵(lì)方式比其他兩種簡單，容易 控制， 激光器的電流情況和溫度對激光輸出功率 的影響明顯。 1980 年開始 ， 人們 運(yùn)用先進(jìn)的科研成果，研發(fā)了一批優(yōu)秀的半導(dǎo)體技術(shù)，之后還發(fā)明了一種高端技術(shù)來控制粒子原子量的厚度 ， 形成了高質(zhì)量的 量子阱和 應(yīng) 變量 子 阱 物理 材 料 。 因?yàn)?新的材 料 ， 研究的 LD的 閾值 電 流 明顯 下 降， 轉(zhuǎn)化 效率 也逐漸 增加，使用壽命也有了較大改觀 。 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)選擇 半導(dǎo)體激光器種類是多種多樣的，波長不同、結(jié)構(gòu)不同、性能參數(shù)不同、波長導(dǎo)入導(dǎo)出的機(jī)制不同，其功能也不盡相同。不同結(jié)構(gòu)的 半導(dǎo)體激光器 控制方式 如表 22所示 。 表 22 不同結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器分類 半導(dǎo)體激 控制 情況 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 光器結(jié)構(gòu) 單異質(zhì)結(jié)構(gòu) 光控和注入電流控制差，且必須在低溫下進(jìn)行，實(shí)用性不好 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu) 組成兩邊反應(yīng)區(qū)材料的縫隙很大，載流子能夠限制，且能控制激光使其不會在共腔面逸散。光與電的轉(zhuǎn)換效率好，目前市場上的半導(dǎo)體激光器常用的結(jié)構(gòu)。 量子肼結(jié)構(gòu) 活性厚度十米以下，電子波動依然進(jìn)行，且活性介質(zhì)的厚度越小，波長越短。載流子量子能介分布。閾值電流低。常用于可見光的半導(dǎo)體激光器 垂直公腔面射型激光 共腔面短，增益物質(zhì)少，輸出功率受到限制。常見的輸出功率在 1 毫瓦左右。輸出光束圓形對稱，可以與光纖耦合，制成激光數(shù)組，可以考慮傳 輸巨大的信息。 半導(dǎo)體激光器的封裝 常見的激光二極管封裝有兩種形式共陽極與共陰極，它將激光二極管 (LD)和監(jiān)測激光器背向輸出光功率的光電二極管 (PD)封裝在一起，這里采用封裝形式為共陰極的激光二極管如圖 21。 激光二極管的作用是根據(jù)注入電流而產(chǎn)生激光，光電二極管是監(jiān)測激光器發(fā)出的功率而產(chǎn)生相應(yīng)的監(jiān)測電流，為激光二極管的驅(qū)動和功率控制提供一個(gè)反饋條件。 P DL DVS SVC C 圖 21 半導(dǎo)體激光器的內(nèi)部構(gòu)造 半導(dǎo)體激光器的各項(xiàng)參數(shù) 本章節(jié)主要對 半導(dǎo)體激光器的 特性進(jìn)行研究，各項(xiàng)參數(shù)對輸出功率的影響，下面主要介紹半導(dǎo)體激光器的各項(xiàng)參數(shù)。 表 23 半導(dǎo)體激光器的參數(shù) 特性參數(shù) 閾值電流 激光管開始產(chǎn)生的震蕩電流 工作電流 激光管達(dá)到輸出功率時(shí)，經(jīng)過的電流 監(jiān)控電流 激光光達(dá)到額定輸出功率時(shí)的驅(qū)動電流 電壓 — 電流特性 通過圖看出結(jié)特性的好壞 功率 — 電流特性 半導(dǎo)體激光器的選擇依據(jù) 第 2 章 半導(dǎo)體激光治療儀的設(shè)計(jì)要求 7 熱特性 控制穩(wěn)定，使半導(dǎo)體激光器在合適的溫度下工作 PI 特性是選擇半導(dǎo)體激光器的重要依據(jù)。在選擇時(shí)，應(yīng)選閾值電流 Ith盡可能小，當(dāng)輸入電流小于 Ith，其輸出 光為非相干的熒光，類似于 LED 發(fā)出的光，當(dāng)電流大于 Ith時(shí)，輸出光為激光，且輸入電流和輸出光功率成線性關(guān)系，如圖 22。 PD 的監(jiān)測電流與激光器的輸出功率在溫度，在溫度不變的情況下成線性關(guān)系，這為半導(dǎo)體激光器驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 在各項(xiàng)參數(shù)中，著重提出的是 PI 特性曲線， 由圖 22 所示， 輸出功率隨著電流的增大而增大，電流增大的同時(shí)，溫度也逐漸升高 。溫度升高，閾值電流增大，對輸出功率的影響較大，再設(shè)計(jì)過程中，對溫度的控制尤為重 要。 0 2 0 4 0 6 0 8 0電 流 / m A642功率/mW2 0 ℃ 4 0 ℃ 6 0 ℃ 圖 22 半導(dǎo)體激光器 PI特性曲線 硬件電路的設(shè)計(jì)要求 半導(dǎo)體 激光器自身也有許多 固有 的缺陷，在設(shè)計(jì)過程中 ，應(yīng)合理的 設(shè)計(jì)電路，以彌補(bǔ)半導(dǎo)體激光器的缺陷。 。因?yàn)樗窃谥苯幼⑷胼d流子的