医疗用大光斑高均匀度绿光半导体激光器研究

作     者：王克璞 

作者单位：长春理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：向阳

授予年度：2020年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0836[工学-生物工程] 0803[工学-光学工程] 

主      题：光动力治疗 绿光半导体激器 光纤耦合 整形 

摘      要：近年来随着外延生长、掺杂工艺及微结构设计技术的突破,半导体激光器从红外拓展到可见光区域,因而在激光医疗更加普遍,尤其是在血管癌临床光动力治疗中逐步取代传统固体激光器、气体激光器等光源,成为最热门的光源之一。本文从光动力治疗血管癌对激光波长、功率、光斑尺寸及均匀度等需求出发,选用与光敏剂血卟啉特征峰最近邻的520±5nm半导体单管作为光源,通过光纤耦合模块实现对输出功率、连续稳定性工作的需求,大光斑高均匀度整形模块以实现输出光斑尺寸、均匀度的设计。最终将两部分模块组合得到一台适用于光动力治疗的大光斑高均匀度绿光半导体激光器,本文将重点围绕光纤耦合模块、大光斑高均匀度整形模块两部分进行设计与研究。首先,针对半导体单管输出特性,利用ZEMAX设计了一款小型、单片非球面透镜光纤耦合的方案,实现400μm,NA=0.22光纤,平均90.63%耦合效率,然后将19根耦合光纤另一端捆绑合束,实现模块功率的扩展。最后在已完成光学系统结构基础上,设计了适用于所采用单管的机械结构及制冷系统,可确保单管工作时具有18℃的稳定运行环境。模块经测试中心波长为517.2nm,在1.5A额定电压下实际输出功率达到17.22W,满功率下6小时内不稳定性小仅有±0.3%。光纤耦合模块经测试直接输出30处光斑均匀性仅有47.2%,为满足输出光斑具有长距离、高均匀度、光斑尺寸的需求。首先选取用3长,芯径2mm,NA=0.59,具有90.45%透过率的液芯光纤实现对光能高效、长距离传输。然后基于能量守恒原理计算出输入与输出光束映射关系,利用ZEMAX自编ZPL语言添加自定义操作数并优化设计出一款伽利略式非球面平顶整形系统,实现高均匀度光斑输出。但因后准直镜尺寸过厚,为减小厚度,采用分角法思路设计其等效菲涅尔透镜替代,从35mm减少至3.6mm。经测试整形后光斑在输出30cm处具有91.5%的均匀度,10.6cm的直径。研究表明:绿光半导体光纤耦合模块能够实现紧凑型高功率、连续、稳定输出,匹配适当光束整形模块,可构成大光斑高均匀绿光半导体激光器度设计。较固体绿光激光器相比,半导体激光器解决了高转化效率、连续波输出问题,同时缩小了体积,降低了成本,为光动力治疗提供较为理想的光源设备。