Модернізація оптичної системи лазерної установки Квант-15

Саратовський Державний Технічний Університет

Кафедра ПБС

Модернізація оптичної системи лазерної установки «Квант-15»

Виконав: ст-т гр.БМС-51

Перевірив: Черепанов Д.В.

Саратов 2008

Зміст

Введення

Анотація

1. Теоретична частина

1.1 Медико-біологічні основи взаємодії лазерного випромінювання з шкірою людини

1.1.1 Будова шкіри людини

1.1.2 Вплив лазерного випромінювання на шкіру людини

1.1.3 Переваги і недоліки лазерної епіляції

1.1.4 Гранично-допустимі рівні лазерного випромінювання

1.2 Огляд промислових аналогів

1.3 Огляд патентної та технічної літератури

2. Розрахунково-конструкторська частина

2.1 Опис конструкції установки «Квант-15»

2.1.1 Розробка загального виду установки

2.1.2 Опис принципу дії установки

2.2 Розрахунок оптичної системи

2.2.1 Розрахунок щільності потужності падаючого лазерного випромінювання qпад. на шкіру людини

2.2.2 Розрахунок внутрірезонаторними діафрагми

2.2.3 Розрахунок параметрів лампи накачування

2.2.4 Розрахунок лінзи для введення лазерного випромінювання в світловод

2.2.5 Розрахунок лінзи фокусування лазерного випромінювання в епілятори

Висновок

Список використаної літератури

Введення

Серед видатних науково-технічних досягнень ХХ століття, одне з перших по праву належить лазерам, тобто оптичним квантовим генераторам. Із створення в 1960 р. першого твердотільного Рубінового лазера, почався бурхливий розвиток лазерної техніки. Сьогодні лазери і лазерні системи знайшли широке застосування в багатьох галузях науки, техніки та медицини, у зв'язку з цим був створений широкий арсенал лазерів та лазерних систем. Викликає подив той шлях, який медики та інженери-оптики пройшли за цей час - від перших спроб застосування лазерів в медицині в середині 70-х років, до початку застосування в повсякденній медичній практиці на початку 80-х, потім до широкого і звичного застосування під всіх областях медицини до кінця ХХ-го століття. Багато захворювань, в тому числі небезпечні для життя, стали піддаватися лікуванню завдяки застосуванню лазерних методів. Широке застосування лазери знайшли в косметології, оскільки проблема надлишкового зростання волосся на тілі людини є однією з найбільш актуальних на даний момент, особливо для жіночої статі.

Існує два типи видалення волосся з тіла людини - епіляція та депіляція. При депіляції просто видаляють волосся, а при епіляції видаляють волосся разом з волосяною цибулиною. Після депіляції волосся виростають знову, а при епіляції, зі зруйнованої волосяної цибулини волосся не виросте. На жаль, будь-які види епіляції не дозволяють позбутися від непотрібних волосся за одну процедуру. Зараз існують безліч видів як депіляції, так і епіляції. До депіляції відносяться: збривання, воскування, видалення волосся кремом, вищипування, всі електродепілятори. До епіляції відносяться: електроепіляція, фотоепіляція (лазерна епіляція). Але жоден з вище перерахованих методів не зрівняється за унікальністю і універсальності з Лазерна епіляція. Її принцип полягає в руйнівному впливі лазерного променя на волосяний фолікул. Завдяки локальному, короткому за часом дії і швидкого охолодження лазерна епіляція безболісна. Звідси основна перевага цього виду епіляції - можливість проведення процедури в зонах з дуже чутливою шкірою, а також відсутність побічних явищ після проведення процедури. Досвід роботи на лазерних апаратах для епіляції показує, що їх вплив на шкіру і організм абсолютно безпечно. Саме тому даний метод епіляції не має жодних протипоказань, і отримав дуже широке поширення в медицині.

Анотація

Метою даного курсового проекту є модернізація лазерної установки «Квант-15М», проведення патентно-інформаційного пошуку подібних установок, що випускаються на світовому ринку, аналіз їх властивостей, можливостей і технічних характеристик і вибір напрямку модернізації на його основі.

У курсовому проекті зроблено розрахунок параметрів лінзи фокусування, для введення лазерного випромінювання в світловод; розрахунок щільності лазерного випромінювання, що падає на шкіру людини, і розрахунок зміни ступеня поглинання лазерного випромінювання різними шарами шкіри людини.

1. Теоретична частина

1.1 Медико-біологічні основи взаємодії лазерного

випромінювання з шкірою людини

1.1.1 Будова шкіри людини

Шкіра з її поверхнею 1,5-2 квадратних метра являє собою найбільший орган людського тіла. Вона виконує численні функції. Стан шкіри залежить від віку, харчування і способу життя. Особливо це стосується шкіри обличчя, тому що на неї сильніше позначаються всі шкідливі впливи навколишнього середовища. До того ж особа - сама відкрита частина шкірних покривів і потребує ретельного догляду.

Наша шкіра - це:

• близько 5 млн.волосков; - загальна площа поверхні шкіри становить 1,5-2 квадратних метри;

• містить 60% вологи, у дітей до 90%; • сто пір на кожен квадратний сантиметр;

• 200 рецепторів на кожен квадратний сантиметр;

• середня товщина шкіри 1-2 мм;

• шкіра трохи грубіше і товщі на підошвах, тонше і прозоріше на століттях;

• вага шкіри без гіподерми становить 4-6% загальної ваги тіла;

• в середньому 18 кг ороговілої і знову замінила шкіри протягом всього життя дорослої людини.

Шкіра має дуже складну будову, її пронизує безліч судин, нервів, проток сальних і потових залоз.

Дуже спрощено будова шкіри можна описати так:

1. Зовнішній шар шкіри - епідерміс, утворений лежать один над одним у кілька десятків шарів епітеліальними клітинами. Верхня частина епідермісу, яка має безпосередній контакт із зовнішнім середовищем, - роговий шар. Він складається з постарілих і ороговілих клітин, які постійно злущуються з поверхні шкіри, і замінюються молодими, які мігрують з глибоких шарів епідермісу. (Повне оновлення епідермісу, наприклад, на підошві триває близько місяця, а на ліктьовому згині - 10 днів). Роговому шару ми зобов'язані тим, що наше тіло не висихає і всередину не проникають чужорідні речовини та збудники хвороб. Істотну допомогу в цьому надає так звана захисна кислотна мантія (звана також гідро-ліпідної мантією), яка покриває поверхню шкіри тонкою плівкою. Вона складається з жиру сальних залоз, з поту і з складових частин в'язких субстанцій, які пов'язують окремі рогові клітини. Захисну кислотну мантію можна розглядати в якості власного крему шкіри. Вона злегка кислуватий (в порівнянні з лужною середовищем, тому й називається кислотної) - хімічна середовище, в якому зазвичай гинуть бактерії і грибки. У найглибшому шарі епідермісу розташовані меланоцити - клітини, що виробляють пігмент меланін. Від кількості цього пігменту залежить колір шкіри - чим його більше, тим вона темніше. Освіта меланіну посилюється під дією ультрафіолетових променів, саме він є причиною засмаги. У блондинів і рудоволосих людей зі світлою шкірою меланіну набагато менше, ніж у темноволосих і смаглявих.

2. Наступний шар - дерма - також неоднорідний. У його верхній частині, розташованої безпосередньо під епідермісом, знаходяться сальні залози. Їх виділення разом з секретом потових залоз утворюють на поверхні шкіри тонку плівку - водно-жирову мантію, яка захищає шкіру від шкідливих впливів і мікроорганізмів. Лежать нижче еластичні волокна надають шкірі пружність, а колагенові волокна - міцність.

3. І, нарешті, третій шар шкіри - гіподерма (або підшкірна клітковина) - служить теплоізолювальної прокладкою і пом'якшує механічні дії на внутрішні органи.

Власне шкіра складається з двох шарів - сосочкового і сітчастого. У ній є колагенові, еластичні і ретикулярні волокна, складові каркас шкіри.

У сосочковом шарі волокна ніжніше, тонший; в сітчастому вони утворюють більш щільні пучки. На дотик шкіра щільна і відрізняється пружністю. Ці якості залежать від наявності в шкірі еластичних волокон. У сітчастому шарі шкіри розташовані потові, сальні залози і волосся. Підшкірна жирова клітковина в різних частинах тіла має неоднакову товщину: на животі, сідницях, долонях вона розвинена добре; на вушних раковинах червоній облямівці губ вона виражена дуже слабо. У гладких людей шкіра малорухливі, у худих і виснажених людей вона легко зміщується. У підшкірній клітковині відкладаються запаси жиру, які витрачаються при хворобах або в інших несприятливих випадках. Підшкірна клітковина захищає організм від ударів, переохолоджень. У власне шкірі і підшкірній клітковині знаходяться кровоносні і лімфатичні судини, нервові закінчення, волосяні фолікули, потові і сальні залози, м'язи.

1.1.2 Вплив лазерного випромінювання на шкіру людини.

Переворот у техніці епіляції стався на початку 90-х рр.., Коли для епіляції стало використовуватися лазерне випромінювання. В основі техніки лазерної епіляції лежить тепловий ефект, який створюється при поглинанні світла меланіном волосся. Її принцип полягає в руйнівному впливі лазерного променя на волосяний фолікул, в цибулині якого містяться клітини з пігментом, що поглинає світло, лазерний імпульс, впливаючи на пігмент, що міститься в волосі, сам знаходить волосся і, проникаючи по ньому у волосяну цибулину, руйнує її назавжди.

Рис.1. Поглинаюча здатність шкірного покриву людини

З рис.1 ми бачимо, як змінюється поглинаюча здатність у кожного шару шкіри, для певної довжини хвилі лазерного випромінювання.

Крім теплового, світло виробляє інші ефекти (фотоелектричний, біостимулюючий і т.д.), однак при великій потужності джерела випромінювання теплові ефекти переважають. Вузьконаправлений лазерний промінь, який практично не розсіюється, дозволяє створити високу щільність потужності випромінювання (потужність випромінювання, що припадає на одиницю площі). Тому лазерне випромінювання створює настільки значний парниковий ефект, що відбувається коагуляція, випарювання (вапорізація) або обвуглювання (карбонізація) біологічної тканини. І все ж це не значить, що лазерний промінь є сліпий руйнівною силою. Як ми зараз переконаємося, за допомогою лазера можна досягти високої селективності впливу на тканині.

Основний принцип фотобіології полягає в тому, що світло діє на біологічний об'єкт лише в тому випадку, якщо об'єкт поглинає світло. Ні поглинання - немає ефекту. У шкірі світло поглинається особливими речовинами - хромофорами. Кожен хромофор поглинає в певному діапазоні довжин хвиль. Основним хромофором волосся та шкіри є меланін, який поглинає в УФ-діапазоні, а також у видимій області з максимальним поглинанням в діапазоні 350-700 нм. Червона межа спектру поглинання меланіну доходить до інфрачервоної області (1200 нм). Конкурентом меланіну є гемоглобін, який поглинає в УФ-області, а у видимій області має максимуми поглинання в діапазонах 450-500 і 500-600 нм. Білки, деякі амінокислоти і нуклеїнові кислоти поглинають в УФ-діапазоні. Перетворення енергії лазерного променя в теплову енергію може відбуватися тільки в тому випадку, якщо випромінювання поглинається. Тому якщо якась ділянка шкіри містить хромофор, що поглинає при даній довжині хвилі, а навколишні ділянки його не містять, то нагрівається тільки та область, де присутня хромофор. Однак внаслідок перенесення тепла відбувається нагрівання прикордонних областей, навіть якщо вони не містять або майже не містять хромофорів.

Характер взаємодії лазерного випромінювання з біологічною тканиною залежить від щільності потужності лазерного випромінювання та від часу взаємодії.

При високому ступені фокусування (діаметр плями 0,2 мм) спостерігається швидке видалення тканини з області дії. При расфокусировке лазерного променя до 0,7 мм в діаметрі швидкість випаровування тканин знижується, більш ефективно використовується теплової розігрів тканин з чітким формуванням зони коагуляції, величину якої можна варіювати, змінюючи час контакту лазерного випромінювання з біотканинах. При расфокусировке лазерного променя до 2 мм у діаметрі має місце відносно слабкий тепловий вплив на біологічні тканини, що приводить до формування зони коагуляції в самих поверхневих шарах. При подальшій расфокусировке лазерного променя до плями з діаметром 7 мм щільність потужності знижується до рівня, що використовується для стерилізації поверхні ран (26 Вт / мм ²). Для лазерної епіляції використовується лазерне випромінювання з енергією імпульсу в середньому ≈ 0.3 мДж, і з діаметром плями фокусування ≈ 10 мкм.

1.1.3 Переваги і недоліки лазерної епіляції

Завдяки локальному, короткому за часом дії (мкс) і швидкого охолодження, лазерна епіляція безболісна і ефективна, тому анестезія не застосовується. Швидкість методу вражає: менше 5 хвилин видаляються, наприклад, волосся над верхньою губою. Точність лазерних технологій настільки висока, що повністю виключає помилку лікаря.

Іншим безперечним перевагою лазерної епіляції є високий коефіцієнт видалення волосся (kill ratio) - відсоток назавжди видаленого волосся за одну процедуру. Таким чином, за 3-5 процедур лазерної епіляції ви позбавляєтеся від волосся назавжди, а шкіра стане бездоганно гладкою і шовковистою.

Недоліки лазерної епіляції - існуючі обмеження при світлій шкірі і світлому волоссі, а також її висока вартість у порівнянні з іншими методами. Вона залежить від кількості імпульсів лазерного променя, що в свою чергу визначається площею епіляції, кількістю волосся та його структурою (при жорстких, темному волоссі - дорожче, при м'яких - дешевше).

1.1.4 Гранично допустимі рівні лазерного випромінювання

Дослідження, проведені в останні роки, дозволили визначити порогові густини енергії для шкіри і очей тварин (експериментальним шляхом) і людей (переважно при використанні лазерів в офтальмологічних та хірургічних клініках), а потім розрахувати гранично допустимі рівні для очей і шкіри людини. Гранично допустимі рівні лазерного випромінювання - це максимальні рівні випромінювання, які при щоденному впливі не викликають у людей, що працюють з лазерами, захворювань або відхилень у стані здоров'я, що виявляються сучасними методами дослідження як в процесі роботи, так і у віддалені терміни. За ПДУ лазерного випромінювання приймаються енергетичні експозиції опромінення тканин, що представляють собою відношення енергії випромінювання, що падає на дiлянку поверхні, до площі цієї ділянки (Дж/см2). ПДУ розроблені для спектрального діапазону від 0,2 до 20 мкм і регламентуються випромінюванням на рогівці, сітківці і шкірі.

Безпечні щільності енергії при опроміненні шкіри лазерами, що працюють в режимі вільної генерації в видимому діапазоні і в найближчих ділянках інфрачервоного діапазону довжин хвиль, складають 1-2 Дж/см2 для одиночного імпульсу і 0,1 Вт/см2 - для безперервного випромінювання.

1.2 Огляд промислових випускаються зразків

За часом, виробництво лазерної техніки в нашій країні можна розбити на 2 періоди. До початку 90-х років ця апаратура розроблялася і випускалася великими промисловими підприємствами, в першу чергу, НВО «Полюс». Тут доречно згадати творця і першого Генерального директора "Полюса" професора М. Ф. Стельмаха, який вніс значний внесок у становлення лазерної галузі в цілому і в організацію розробок і виробництва лазерної медичної техніки зокрема. За його ініціативою в НВО «Полюс» було створено перше в країні підрозділ, що почало розробку лазерної медичної апаратури. На початку 90-х різко зріс інтерес до лазерної техніки у зв'язку з розширенням її застосування в медицині. Зокрема з впровадженням твердотільних лазерів на рубіновому, олександритовий активних елементах, а також на алюмо-ітрієво гранаті з неодимом (YAG: Nd).

В даний час вітчизняні лазерника можуть запропонувати охорони здоров'я порівняно недорогі, малогабаритні, надійні лазерні установки, що працюють від побутової електромережі (можливо і автономне живлення). Ці апарати прості в управлінні, не потребують постійного інженерному обслуговуванні, а велика різноманітність довжин хвиль дає можливість лікарю підібрати необхідний характер впливу на біологічні тканини. Все це створює хороші передумови для впровадження сучасної лазерної медичної апаратури та реалізованих за її допомогою методів у масове охорону здоров'я.

Розвиток лазерних установок для епіляції в Росії пов'язано більшою мірою з ГПО «Загорський оптико-механічний завод», Центр фізичного приладобудування Иофана, «ЛОМО» Ленінград, СНПП «Істок-Лазер» Вязіно, ТОВ «ИТ-Лагран» Москва.

Найбільш інтенсивний розвиток проектування лазерних установок для епіляції одержало в США. Розвиток в більшій мірі пов'язане з діяльністю провідних фірм-виробників у цій галузі, таких як "Coherent Radiation", "MIRA" і "Optics Technology Inc.", Які є представниками передової інженерної думки. Також інтенсивно ведеться розвиток в таких країнах як Франція (ведуча фірма "Capsular"); Німеччина "Opteltek", "Polytec" і "Meditec"; Ізраїль "Sharpan"; Південна Корея "Vondar Lazer" і Японія.

З часу початку використання лазера в косметології, розвиток лазерних епіляторів і подібної техніки ведеться по наростаючій. Це викликано відносною легкістю проведення операцій, її безболезненностью і дорогий вартістю подібних операцій.

Таблиця 1. Технічні показники лазерних установок