[ Модернізація оптичної системи лазерної установки Квант-15 ]! | АІГ: Nd | |||||
Вихідна потужність, Вт (енергія, Дж) | (25) | 10 і 20 (2,5 і 5) | (До 15) | (0,02) | 2 | 150-200 (15-20) |
Режим роботи | Імпульс-ний | Імпульсний і імпульсно-періодичного кий | Імпульсний і імпульсно-періодичного кий | Імпульс-ний | Безперервний, імпульсний | Безперервний, Імпульсний |
Тривалість імпульсів, мс | 5-50 | 0,01 | 10 | 0,1-3 | 1.5; 2, 4, 5 | |
Макс. частота повторення імпульсів, Гц | 10 | 50 | До 3 | 0,1-35 | ||
Діаметр плями ЧИ, мкм | 7-12 | 0,6 | 3-5-7 | 50-400 | 100-400 | 0,2-3 |
Пілотний лазер | червоний | зелений | червоний | He - Ne | видиме випромінювання | червоний (Λ = 0,63 мкм) |
Охолодження | Повітр-ве | Повітряне | Закритий Повітряно-Водяний контур | - | - | Закритий Повітряно-Водяний контур |
Живлення апарату, В / Гц | 220-240 / 50-60 | 110-220 50-60 | 220/240 50-60 | 220 / 50 | 220 / 50 | 220 / 50-60 |
Установки Лазулет і Епілаг, виробництва об'єднання «ІТ-Лагран» - це компактні, сучасні та зручні у використанні установки для лазерної епіляції волосся. При установці даних епіляторів не потрібно додаткового спеціального обладнання.
Розробляється модель лазерного епілятора «Квант-15», в порівнянні з його існуючими закордонними та вітчизняними аналогами має такі схожі ознаки як довжина хвилі 1,064 мкм, тривалість і потужність імпульсу, спосіб передачі випромінювання (за допомогою оптичного світловода), тип охолодження (повітряно-водяного ), наявність пілотного лазера і способи зміни діаметра фокальної плями випромінювання (фокусування і дефокусування).
У залежності від параметрів лазера пошкодження фолікули може бути фотомеханічним, коли основним руйнівним чинником є швидке розширення тканини при нагріванні, або фототермічний, коли відбувається коагуляція, обвуглювання (карбонізація) або випаровування (вапорізація). Найбільш перевіреним типом лазера, що використовується на даний момент для епіляції, є гранатовий (або неодимовий) лазер. Цей тип лазера схвалений FDA (Foog and Drug Administration), - агенством в США, контролюючим введення в практику всіх медичних та харчових препаратів та приладів (як лазер, який може застосовуватися в якості епіляційної техніки). У той час як відомості про ефективність інших лазерів часто суперечливі.
Генерація лазерного випромінювання в такому лазері здійснюється на переходах іонів неодиму (Nd3 +), які вбудовані в алюмо-ітрій-гранатові кристали (yttrium-aluminium garnet - YAG). Тому такий лазер найчастіше називають Nd: YAG лазер. Він випромінює в ближньому інфрачервоному діапазоні (λ = 1064 нм). Це випромінювання мінімально поглинається у верхніх шарах шкіри і проникає в глибокі шари. Тривалість імпульсу близько 100 нс, тобто набагато менше, ніж у інших типів лазера. Також проведена мною модернізація оптичної системи установки дозволить значно поліпшити оптичні характеристики при фокусуванні плями лазера (зниження расходимости пучка випромінювання та знищення паразитних плям), шляхом впровадження діафрагми в квантрон установки, що виділяє центральну моду пучка, тим самим також зменшуючи потужність випромінювання лазера (до 15 Вт ) і збільшуючи точність фокусування плями, що особливо важливо, так як при використанні модульованого випромінювання, із зростанням потужності, значно підвищується ймовірність викликати механічне пошкодження коагуліруемой тканини (особливо при малому діаметрі фокальної плями). Істотні відмінності між лазерами з синхронізацією мод і вільної генерації помітні на частоті модуляції аж до 100кГц. Розглянуті мною в табл.1 аналоги, по оптичних показниками (таким як розмір плями, регульована енергія імпульсу і керований режим роботи) поступаються установці «Квант-15М», що, на мою думку, є істотною перевагою при виборі напрямку модернізації.
1.3 Огляд патентної та технічної літератури
З метою визначення напрямку модернізації лазерної установки «Квант-15М» був проведений патентний пошук та аналіз патентної та технічної літератури періоду з 1992 по 2003 рр.., І були досліджені пристрою по класу В23К26/00, що представляють собою пристрої для лазерної епіляції і лазерної терапії. Виявлено подібні та відмінні моменти в конструкції, принцип дії, способи транспортування лазерного випромінювання та способи охолодження лазерних установок.
Країни пошуку: Росія і провідні країни світу (США, Швеція, Франція, Німеччина Японія).
У результаті проведеного пошуку, були виявлені наступні основні цілі, переслідувані при подачі заявок на патент: підвищення точності наведення лазерного випромінювання, скорочення часу проведення операції, підвищення ефективності впливу лазерного випромінювання на шкіру людини, зниження ризику та наслідків під час проведення процедури епіляції і в послепроцедурний період, локалізація лазерного впливу всередині фолікули волосся, підвищення надійності, спрощення конструкції, зменшення габаритних розмірів, спрощення складання та юстирування і зменшення економічних показників установок.
Розглянуто різна література з конструювання та проектування лазерних установок, таких авторів, як У. Діола «Лазерна технологія та обробка матеріалів», Реді Дж. «Дія потужного лазерного випромінювання», Рикалін М.М., Углов А.А. «Теплофізичні процеси при взаємодії лазерного випромінювання з поглинаючими середовищами», Сухов Л.Т «Лазерне зварювання» та багатьох інших.
У процесі патентного аналізу виявлено такі провідні Російські фірми в даній галузі техніки:
ВАТ «Раменське приладобудівне конструкторське бюро».
Науково-виробниче об'єднання «Електронна техніка»
ЗАТ «Астрофізика»
Таблиця 2. Огляд патентної літератури.
Найменування об'єкта | Країна заявника | Кількість патентів, опублікованих заявок по роках | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1992 | 1993-95 | 1998
Найбільш цікавими патентами, на мій погляд, є:
Для модернізації лазерної епіляції з установки «Квант-15М» була обрана базова мета - підвищення точності наведення лазерного випромінювання на область дії лазера, також для полегшення роботи косметолога і через важкодоступність деяких зон епіляції і складним рельєфом шкірного покриву людини одним з основних напрямків модернізації установки була обрана модернізація оптико-механічної системи, зокрема заміна телескопічної системи кварцовим світловодом за яким лазерне випромінювання буде передаватися безпосередньо на епілятор, за допомогою якого лікар легко зможе виробляти епіляцію волосся з тіла пацієнта; локалізація впливу лазерного випромінювання всередині фолікули волосся, з допомогою впровадження в оптичну систему внутрірезонаторними діафрагми, для виділення модового складу випромінювання, зменшення кутової расходимости і зниження потужності випромінювання; також була обрана модернізація системи охолодження і спрощення конструкції установки, зменшення її габаритних розмірів. 2. Розрахунково-конструкторська частина 2.1 Опис конструкції установки 2.1.1 Розробка загального виду установки Загальний вид лазерної технологічної установки повинен бути таким, щоб знаходиться на робочому місці косметолога, що проводить лазерну епіляцію були доступні всі органи управління установкою і видні необхідні контрольно - вимірювальні прилади. Також лазерна технологічна установка повинна відповідати як естетичним вимогам, (забарвлення її не повинна дратувати очі працюючого і обслуговуючого персоналу), так і вимогам безпеки. Найбільш важливими аспектами в розробці загального вигляду лазерної технологічної установки, звичайно, є компактність її блоків і безпеку роботи на ній як для косметолога, так і для пацієнта. Щоб убезпечити оператора від впливу лазерного випромінювання при роботі установки, що працює на довжині хвилі 1.06 мкм, застосовується спеціальний кварцовий світловод, за яким лазерне випромінювання буде передаватися безпосередньо на епілятор, за допомогою якого воно локалізується строго в точці фокусування на шкірі, тим самим зводячи до мінімуму розсіювання і відображення лазерного випромінювання в простір і знижуючи ризик його потрапляння в очі косметолога. Для зручності наведення лазера в потрібну точку на шкірі людини, в установку був впроваджений напівпровідниковий «пілотний» лазер, на «червоній» довжині хвилі 0,63 мкм. 2.1.2 Опис принципу дії установки Рис.2. Блок-схема приладу «КВАНТ-15».
Опис блок-схеми приладу Напруга 220В силової мережі змінного двофазного струму надходить на блоки живлення лазера і щілинної лампи. Потім живлення поступає на випрямляч, і через випрямляч на розрядний комутатор. За допомогою якого лікар-офтальмолог задає такі необхідні параметри: потужність лазерного випромінювання, час експозиції та кількість імпульсів. Після цього електрична енергія W подається в оптико-механічну систему для живлення лампи накачування. Для отримання необхідної тривалості імпульсу в розрядній ланцюга ємнісного накопичувача встановлені котушки індуктивності. Для початкової іонізації розрядного проміжку імпульсної лампи харчування лазера і підтримання його в проводяться стані служить блок «підпалу» і джерело «чергової дуги» відповідно. Управління моментом початку розряду ємнісного накопичувача на імпульсну лампу і відключення останньої на період заряду накопичувача проводиться розрядним комутатором. Лазер виробляє потужний світловий імпульс у вигляді паралельного пучка променів, який надходить в оптичну систему оптико-механічного блоку, фокусуючого випромінювання на поверхню шкіри пацієнта. Випрямляч, джерело струму та ємнісної накопичувач енергії служать для електроживлення імпульсної лампи харчування лазера. Система охолодження підтримує нормальний тепловий режим роботи лазера. У системі охолоджування використовується пластиковий бак, насоси і теплообмінники зарубіжного виробництва. Для контролю енергії імпульсу лазера служить індикатор енергії ІЕ-ЗА. Система управління СУМ-10А служить для управління джерелом живлення. Оптико-механічний блок має підставу, на якому встановлений лазер, який разом з оптичною системою оптико-механічного блоку закриті кожухами. До оптико-механічного блоку приєднаний кварцовий світловод, за яким лазерне випромінювання подається на епілятор, за допомогою якого оператор (косметолог) видаляє волосся з шкіри людини. Управління включенням і вимиканням лазерного випромінювання косметолог виробляє натисканням ногою на педаль, приєднану до блоку управління СУМ-10А і встановлену на підлозі, біля процедурного крісла. 2.2 Розрахунок оптичної системи Розрахунок оптичної системи ведеться за еквівалентним схемами з урахуванням головних площин, апертурних кутів і збільшення. 2.2.1 Розрахунок щільності потужності падаючого лазерного випромінювання q пад. на шкіру людини (1.1) (1.2) Для установки «Квант-15М» Тривалість імпульсів буде дорівнює: τ min = 5 мс = 5 * 10-3с, τ max = 50 мс = 5 * 10-2с, енергія імпульсу Е = 20 Дж, довжина хвилі лазера λ = 1.064 * 10-5 см, діаметр плями лазера d ср = 0.001 див. [См2] (1.3) Підставляємо у формулу (1.2): Для мінімальної тривалості імульсій τ min = 5 * 10-3с: (1.4) Для епідермісу, коефіцієнт поглинання α = 31 см-1, глибина шару 0,01 см. отримаємо: (1.5) Для дерми, коефіцієнт поглинання α = 23 см-1, глибина шару 0,02 см. отримаємо: (1.6) Для максимальної тривалості імульсій τ max = 5 * 10-2с: (1.7) Для епідермісу, коефіцієнт поглинання α = 31 см-1, глибина шару 0,01 см, ступінь відбиття R = 0.32 отримаємо: (1.8) Для дерми, коефіцієнт поглинання α = 23 см-1, глибина шару 0,02 см. отримаємо: (1.9) Для установки «Лазулет» Тривалість імпульсів буде дорівнює: τ = 1 * 10-8 с, енергія імпульсу Е = 3 * 10-4 Дж, довжина хвилі λ = 0.26 * 10-3 см, діаметр несфокусірованного плями (епіляція волокном) d = 0.06 см. (1.10) Підставляємо у формулу (q пад): (1.11) Для епідермісу, коефіцієнт поглинання α = 1000 см-1, глибина шару 0,01 см. отримаємо: (1.12) Для дерми, коефіцієнт поглинання α = 26 см-1, глибина шару 0,02 см. отримаємо: (1.13) Для сфокусованого плями d = 1 * 10-3 см. (1.14) Підставляємо у формулу (q пад): (1.15) Для епідермісу, коефіцієнт поглинання α = 1000 см-1, глибина шару 0,01 см. отримаємо: (1.16) Для дерми, коефіцієнт поглинання α = 26 см-1, глибина шару 0,02 см. отримаємо: (1.17) У таблиці 2 наведені розраховані характеристики для приладів «Квант-15» і «Лазулет», з яких видно як зміняться ступінь поглинання лазерного випромінювання в залежності від зміни глибини шкірного покриву людини. Таблиця 2. Порівняння зміни ступенів поглинання, в залежності від глибини шару шкіри.
З отриманих результатів видно, що зі зменшенням часу впливу лазерного випромінювання, і радіуса плями лазера, підвищується ступінь поглинання q поглинутої зразка шкіри, причому у кожного шару шкіри - по різному. З наведених у таблиці 2, отриманих результатів наочно видно, як змінюється ступінь поглинання в епідермісу і дерми. 2.2.2 Розрахунок параметрів впроваджуваної в оптико-механічну систему внутрірезонаторними діафрагми Розрахуємо діаметр отвору внутрірезонаторними діафрагми, з урахуванням заданих і необхідних параметрів. Він знаходиться з формули для площі отвору. (Площа отвору = 5% від загальної площі діафрагми). (1.18) (1.19) (1.20) З формули (1.18) знаходимо потрібний діаметр отвору: (1.21) Розрахуємо кут розходження Θ для отриманого отвору діафрагми: [Радий] (1.22) Якщо лазер працює на моді високого порядку, то його можна перевести на Гауссова (нульову) моду (ТЕМ00), шляхом введення всередину резонатора круглої діафрагми. Послідовно вводячи в резонатор діафрагми все менших діаметрів, можна домогтися роботи тільки на ТЕМ00. Як правило, це пов'язано з втратою потужності (що втім нам і потрібно), однак одержуване зниження кута расходимости і спрощення просторової діаграми можуть у деякому сенсі компенсувати ці втрати. 2.2.3 Розрахунок граничних характеристик ламп накачування ІНП3-7/80А Розрахуємо напруги, що подаються на клеми лампи накачування. Вихідні дані: ємність конденсатора С = 100мкФ, Гранична енергія імпульсу Епред = 400 Дж. (1.23) (1.24) (1.25) Відповідно розрахуємо: 1. С = 100 мкФ У (1.26) 2. З = 150 мкФ У (1.27) 3. З = 200 мкФ У (1.28) 4. З = 250 мкФ У (1.29) 5. З = 300 мкФ У (1.30) 6. З = 350 мкФ У (1.31) 2.2.4 Розрахунок лінзи для введення лазерного випромінювання в світловод Дана лінза є двоопуклою і виконана зі скла марки К8. Вона формує пучок з круговим перетином і використовується для трансформації стрічкової форми пучка випромінювання, що йде з робочого лазера, а також для фокусування лазерного випромінювання в світловод, для подальшого транспортування його до епілятори. Розрахуємо її параметри. Вихідні дані: діаметр кварцового світловоду d = 0.6мм; вхідний світловий діаметр D св = 6,3 мм (діаметр активного елементу); расходимость випромінювання Θ = 0.001 радий; частота лазерного випромінювання λ = 1.064 * 10-3 м-1; кратність = 3; Т.к. ми ввели внутрірезонаторними діафрагму, то вважати будемо фокусування для центральної моди ТЕМ00, то m = 0. Розрахункові формули для неї мають такий вигляд: Знаходимо фокус лінзи з формули: (1.32) (1.33) [Мм] (1.34) 2.2.5 Розрахунок лінзи для фокусування лазерного випромінювання в епілятори Дана лінза є двоопуклою і виконана зі скла марки К8. Вона формує пучок з круговим поперечним перерізом, а також фокусує лазерне випромінювання, що виходить із світловода, в епілятори на шкіру людини. Розрахуємо її параметри. Вихідні дані: діаметр кварцового світловоду D = 0.6мм; Вважаємо, що вихідний світловий діаметр d = 0,3 мм (діаметр плями лазера), тому що беремо середнє значення; расходимость випромінювання Θ = 0.1 рад; частота лазерного випромінювання λ = 1.064 * 10-3 м-1; кратність = 3; Т.к. ми ввели внутрірезонаторними діафрагму, то вважати будемо фокусування для центральної моди ТЕМ00, то m = 0. Розрахункові формули для неї мають вигляд: Знаходимо фокус лінзи з формули: (1.35) (1.36) [Мм] (1.37) Висновок У даному курсовому проекті була проведена модернізація оптичної схеми лазерної установки для епіляції волосся «Квант-15» шляхом впровадження в неї кварцового світловоду, а також удосконаленням. Відповідно, проведено розрахунок модернізованої оптичної системи. У процесі виконання даного курсового проекту були виявлені основні напрямки для модернізації даної установки:
У процесі розрахунку було обрано світловод d = 600 мкм. Типу кварц-кварц, з наступними технічними характеристиками: довжина світловода l = 2 м., втрати при проходженні випромінювання через світловод через неоднорідність матеріалу не більше 50%. Були розраховані параметри внутрірезонаторними діафрагми, лінзи фокусування для введення випромінювання в світловод і фокусування випромінювання на шкірі людини (у епілятори). Також були розраховані зміни ступенів поглинання лазерного випромінювання шкірою, окремими шарами (епідерміс, дерма) для установок «Квант-15М» і Лазулет, для аналізу залежності зміни ступеня поглинання шкіри від розміру фокусуючого плями і тривалості імпульсу. Також була обрана модернізація системи охолодження і спрощення конструкції установки, зменшення її габаритних розмірів і впровадження в оптико-механічну систему пілотного лазера, для зручності наведення променя лазера на потрібну точку на шкірі людини, під час процедури епіляції. Список використовуваної літератури:
|