Курсовая работа: Модернизация оптической системы лазерной установки "Квант-15"

2.2 Расчёт оптической системы

Расчет оптической системы ведется по эквивалентным схемам с учетом главных плоскостей, апертурных углов и увеличения.

2.2.1 Расчет плотности мощности падающего лазерного излучения

qпад. на кожу человека

(1.1)

(1.2)

Для установки «Квант-15М»

Длительность импульсов будет равна: τmin=5 мс=5*10-3с,

τmax=50 мс=5*10-2с, энергия импульса Е=20 Дж, длина волны лазера λ=1.064*10-5 см, диаметр пятна лазера dср=0.001 см.

[см2](1.3)

Подставляем в формулу (1.2):

Для минимальной длительности имульса τmin=5*10-3с:

(1.4)

Для эпидермиса, 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)

Для максимальной длительности имульса τmax=5*10-2с:

(1.7)

Для эпидермиса, коэффициент поглощения α=31см-1, глубина слоя 0,01 см, степень отражения R=0.32 получим:

(1.8)

Для дермы, коэффициент поглощения α=23см-1, глубина слоя 0,02 см. получим:

(1.9)

Для установки «Лазулет»

Длительность импульсов 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 в формулу ( qпад ):

(1.11)

Для эпидермиса, 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)

Для сфокусированного пятна d=1*10-3 см.

(1.14)

Подставляем в формулу ( qпад ):

(1.15)

Для эпидермиса, 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 2 приведены рассчитанные характеристики для приборов «Квант-15» и «Лазулет», из которых видно как изменятся степень поглощения лазерного излучения в зависимости 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 полученных результатов видно, что с уменьшением времени воздействия лазерного излучения, и радиуса пятна лазера, повышается степень поглощения qпогл кожи, причём у каждого слоя кожи - по разному. Из приведённых в таблице 2, полученных результатов наглядно видно, как изменяется степень поглощения у эпидермиса и дермы.

2.2.2 Расчет параметров внедряемой в оптико-механическую

систему внутрирезонаторной диафрагмы

Рассчитаем диаметр отверстия внутрирезонаторной диафрагмы, с учётом заданных и требуемых параметров. Он находится из формулы для площади отверстия. (Площадь отверстия=5% от общей площади диафрагмы).

(1.18)

(1.19)

(1.20)

Из формулы (1.18) находим нужный диаметр отверстия:

(1.21)

Рассчитаем угол расходимости Θ для полученного отверстия диафрагмы:

  [Рад](1.22)

Если лазер работает на моде высокого порядка, то его можно перевести на Гауссову (нулевую) моду (ТЕМ00), путём введения внутрь резонатора круглой диафрагмы.

Последовательно вводя в резонатор диафрагмы всё меньших диаметров, можно добиться работы только на ТЕМ00. Как правило, это связано с потерей мощности (что впрочем нам и нужно), однако получаемое снижение угла расходимости и упрощение пространственной диаграммы могут в некотором смысле компенсировать эти потери.

2.2.3 Расчет предельных характеристик ламп накачки ИНП3-7/80А

Рассчитаем напряжения, подаваемые на клеммы лампы накачки. Исходные данные: ёмкость конденсатора С=100мкФ, Предельная энергия импульса Епред=400 Дж.

(1.23)

(1.24)

(1.25)

Соответственно рассчитаем:

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)

2.2.4 Расчет линзы для ввода лазерного излучения в световод

Данная линза является двояковыпуклой и выполнена из стекла марки К8. Она формирует пучок с круговым сечением и используется для трансформации ленточной формы пучка излучения, идущего с рабочего лазера, а также для фокусировки лазерного излучения в световод, для дальнейшей транспортировки его к эпилятору. Рассчитаем её параметры. Исходные данные: диаметр кварцевого световода d=0.6мм; входной световой диаметр Dсв=6,3мм (диаметр активного элемента); расходимость излучения Θ=0.001 рад; частота лазерного излучения λ=1.064*10-3м-1; кратность =3; Т.к. мы ввели внутрирезонаторную диафрагму, то считать будем фокусировку для центральной моды ТЕМ00, то m=0. Расчетные формулы для неё имеют следующий вид:

Находим фокус линзы из формулы:

(1.32)

(1.33)

[мм](1.34)

2.2.5 Расчет линзы для фокусировки лазерного излучения в

эпиляторе

Данная линза является двояковыпуклой и выполнена из стекла марки К8. Она формирует пучок с круговым сечением, а также фокусирует лазерное излучение, выходящее из световода, в эпиляторе на кожу человека. Рассчитаем её параметры. Исходные данные: диаметр кварцевого световода D=0.6мм; Считаем, что выходной световой диаметр d=0,3мм (диаметр пятна лазера), 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 ввели внутрирезонаторную диафрагму, то считать будем фокусировку для центральной моды ТЕМ00, то m=0. Расчетные формулы для неё имеют вид:

Находим фокус линзы из формулы:

(1.35)

(1.36)

[мм](1.37)

Заключение

В данном курсовом проекте была проведена модернизация оптической схемы лазерной установки для эпиляции волос «Квант-15» путем внедрения в неё кварцевого световода, а также усовершенствованием. Соответственно, проведен расчет модернизированной оптической системы.

В процессе выполнения данного курсового проекта были выявлены основные направления для модернизации данной установки:

·          Первое повышение точности наводки лазерного излучения на область воздействия лазера, также для облегчения работы косметолога и из-за труднодоступности некоторых зон эпиляции и сложным рельефом кожного покрова человека одним из основных направлений модернизации установки была выбрана модернизация оптико-механической системы, в частности замена телескопической системы кварцевым световодом по которому лазерное излучение будет передаваться непосредственно на эпилятор, при помощи которого врач легко сможет производить эпиляцию волос с тела пациента;

·          Второе - локализация воздействия лазерного излучения внутри фолликулы волоса, с помощью внедрения в оптическую систему внутрирезонаторной диафрагмы, для выделения модового состава излучения, уменьшения угловой расходимости и снижения мощности излучения

В процессе расчета был выбран световод d=600 мкм. Типа кварц-кварц, со следующими техническими характеристиками: длина световода l=2 м., потери при прохождении излучения через световод из-за неоднородности материала не более 50%. Были рассчитаны параметры внутрирезонаторной диафрагмы, линзы фокусировки для введения излучения в световод и фокусировки излучения на коже человека (в эпиляторе).

Также были рассчитаны изменения степеней поглощения лазерного излучения кожей, отдельными слоями (эпидермис, дерма) для установок «Квант-15М» и Лазулет, для анализа зависимости изменения степени поглощения кожи от размера фокусирующего пятна и продолжительности импульса.

Также была выбрана модернизация системы охлаждения и упрощение конструкции установки, уменьшение её габаритных размеров и внедрение в оптико-механическую систему пилотного лазера, для удобства наведения луча лазера на нужную точку на коже человека, во время процедуры эпиляции.

Список используемой литературы:

1.         Дж. Рэди. Действие мощного лазерного излучения. Перевод на русский язык. –М.: Изд во “ Мир “, 1974. -468с.

2.         Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. – Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 1998.-384 с.

3.         Климков В.В. Основы расчёта оптико-электронных приборов с лазерами, Москва «Советское радио», 1978.-264 с., ил.

4.         Справочник конструктора оптико-механических приборов. /В.А. Панов, М.Я. Кругер, В.В. Кулагин и др.; Под общ. ред. В.А. Панова. Л.: Машиностроение, Ленингр.отд-ние, 1980. – 742 с.

5.         Бегунов Б.Н. Геометрическая оптика. – М.: МГУ, 1966. – 210с.

6.         Амбарцумян М.А. Применение полупроводниковых лазеров. //Лазерная техника и оптоэлектроника,1992,№3-4. с.62-74.

7.         Малышев Б.Н. Лазерная медицинская техника в НИИ «Полюс».// Лазерная техника и оптоэлектроника, 1991,№4-5. с.45-63.

8.         Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем. М., «Машиностроение», 1973 - 488с.

9.         Приезжев А.В., Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Лазерная диагностика в биологии и медицине. М.: Наука, 1989. – 203 с.

10.       Статья из интернета, с сайта www.medteh.ru «ФОТОЭПИЛЯЦИЯ: научный и практический аспекты», Нина Цисанова - врач-дерматолог, косметолог, ведущий специалист в России по методам селективного фототермолиза. 2003 г.