Драйвер полупроводникового лазера

Изобретение относится к области оптоэлектроники. Драйвер полупроводникового лазера 1 выполнен с возможностью подключения к его выходу оптического волокна 2, и содержит регулируемый источник 3 тока, блок 4 управления, датчик 5 тока и датчик 6 мощности излучения лазера 1. При этом выход датчика 6 мощности 1 подключен к первому входу блока 4 управления, к оптическому входу датчика 6 мощности 1 подключен первый оптический выход лазера 1, ко второму оптическому выходу лазера 1 подключено оптическое волокно 2, выход регулируемого источника 3 тока подключен к электрическому входу лазера 1 и ко входу датчика 5 тока, выход которого соединен со вторым входом блока 4 управления, выход которого соединен со входом регулируемого источника 3 тока. Дополнительно содержится инфракрасный фотодиод 7, спектр чувствительности которого не перекрывает длину волны излучения лазера 1, усилитель-преобразователь 8 тока инфракрасного фотодиода 7 и блок 9 обработки сигнала и передачи данных. При этом оптическое волокно 2 выполнено с ответвлением 10, выход которого подключен ко входу инфракрасного фотодиода 7, выход которого соединен со входом усилителя-преобразователя 8 тока инфракрасного фотодиода 7, выход которого соединен со входом блока 9 обработки сигнала и передачи данных и третьим входом блока 4 управления. Технический результат заключается в обеспечении возможности контроля и поддержания заданного уровня температуры торца рабочего оптического волокна. 1 ил.

 

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано для мощных полупроводниковых лазеров с волоконным выходом излучения в составе медицинской лазерной аппаратуры.

Разработка эффективных и надежных мощных полупроводниковых лазеров в спектральном диапазоне 800-1500 нм с волоконным выходом излучения является важной и актуальной задачей, в частности, для лазерной хирургии. Они обеспечивают возможность доставки лазерного излучения до биоткани по оптическому волокну и оптимальные параметры взаимодействия с биологической тканью (непрерывный и импульсный режимы облучения, глубина проникновения, сочетание режущих и коагулирующих свойств излучения и т.д.). Основной характеристикой таких лазеров, кроме длины волны излучения, является плотность мощности излучения лазера, приводящего к разогреву торца оптического волокна и облучаемого объекта.

Известен драйвер полупроводникового лазера с оптическим волокном на выходе, предназначенного для медицинских целей. Драйвер включает регулируемый источник тока, блок управления мощностью излучения, датчик мощности излучения, систему охлаждения лазера. Лазер снабжен системой контроля длительности импульсов и, соответственно, энергии излучения, воздействующего на биологическую ткань, US 5269778 (A).

Однако температура, до которой может нагреться торец оптического волокна, зависит не только от энергии излучения лазера, но и от других факторов, которые могут изменяться в процессе работы. В частности, загрязнение (подгорание) выходного торца рабочего кварцевого оптического волокна при контакте с биологической тканью может привести к его быстрому разогреву до температур, приводящих как к повреждению биологической ткани, так и к разрушению оптического волокна, что является серьезным недостатком данного технического решения.

Известен драйвер устройства для лазерной обработки биологической ткани, содержащий блок управления, выходы которого соединены с блоком питания лазеров, импульсные лазеры, оптические оси которых параллельны, оптически сопряженные отражательное и селективно отражательное для длины волны первого лазера и прозрачное для длины волны второго лазера зеркала, которые расположены на оптических осях первого и второго лазеров, соответственно установленные на оптической оси второго лазера фокусирующую систему и оптическое волокно с наконечником, выход которого является оптическим выходом устройства; в устройство введен хотя бы один приемник информации о состоянии биологической ткани, вход которого выполнен для сопряжения с местом воздействия на ткань, а выход соединен с входом блока управления, выходы которого соединены с входами электронных ключей, установленных в цепях соединения каждого лазера с блоком питания, кроме того, отражательное зеркало установлено с возможностью вывода его из хода излучения, а на оптической оси первого лазера последовательно по ходу излучения расположены фокусирующая система и оптическое волокно с наконечником, выход которого является другим оптическим выходом устройства, RU 2096051 С1.

Драйвер позволяет контролировать состояние (температуру) биологической ткани, но не обеспечивает возможность контроля температуры торца оптического волокна.

Известен драйвер полупроводникового лазера, предназначенного для осуществления фотодинамической терапии (ФДТ). При осуществлении ФДТ когерентное оптическое излучение лазера через подключенное к его рабочему оптическому выходу оптическое волокно подается на обрабатываемый участок биологической ткани. Конец оптического волокна может находиться на некотором расстоянии от этого участка или непосредственно с ним контактировать. Драйвер полупроводникового лазера содержит регулируемый источник тока, блок управления, включающий два дифференциальных усилителя и компаратор датчика тока и датчик мощности излучения лазера, выход которого подключен к блоку управления. К другому оптическому выходу лазера подключен оптический вход датчика мощности излучения лазера. Выход регулируемого источника тока подключен к электрическому входу лазера и ко входу датчика тока, выход которого соединен со входом регулируемого источника тока, RU 2172514 С2.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.

Устройство позволяет стабилизировать мощность излучения по нескольким контролируемым параметрам: по току накачки лазера, по мощности прямого излучения лазера и по сигналу уставки максимального тока. В результате устраняется возможность превышения лазером заданного уровня мощности, возможность преждевременного отключения лазера, увеличивается степень его защиты.

Однако, как и другие известные аналоги, данный драйвер не позволяет контролировать температуру торца оптического волокна, подключенного к рабочему оптическому выходу лазера при проведении ФДТ. Повышение температуры торца оптического волокна свыше допустимых значений вследствие его загрязнения (подгорания) может приводить к повреждению обрабатываемой биологической ткани, а перегрев до температур выше 1000°С ведет к разрушению кварцевого оптического волокна.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение контроля и поддержания заданного уровня температуры торца рабочего оптического волокна.

Согласно изобретению в драйвере полупроводникового лазера, выполненного с возможностью подключения к его выходу оптического волокна, содержащем регулируемый источник тока, блок управления, датчик тока и датчик мощности излучения лазера, при этом выход датчика мощности излучения лазера подключен к первому входу блока управления, к оптическому входу датчика мощности излучения лазера подключен первый оптический выход лазера, ко второму оптическому выходу лазера подключено рабочее оптическое волокно, выход регулируемого источника тока подключен к электрическому входу лазера и ко входу датчика тока, выход которого соединен со вторым входом блока управления, выход которого соединен со входом регулируемого источника тока, дополнительно содержится инфракрасный фотодиод, спектр чувствительности которого не перекрывает длину волны излучения лазера, усилитель-преобразователь тока инфракрасного фотодиода и блок обработки сигнала и передачи данных, при этом рабочее оптическое волокно выполнено с ответвлением, выход которого подключен ко входу инфракрасного фотодиода, выход которого соединен со входом усилителя-преобразователя тока инфракрасного фотодиода, выход усилителя-преобразователя тока инфракрасного фотодиода соединен со входом блока обработки сигнала и передачи данных и третьим входом блока управления.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «Новизна».

Реализация отличительных признаков изобретения впервые обеспечила достижение важного технического результата - возможность контроля и поддержания заданной температуры торца рабочего волокна вне зависимости от его загрязнения.

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат.

Указанные обстоятельства позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию «Изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена блок-схема устройства.

Драйвер полупроводникового лазера 1, в конкретном примере лазерного диода ATC-S6 производства ЗАО «Полупроводниковые приборы», Санкт-Петербург, с оптическим разъемом для подключения рабочего оптического волокна 2 диаметром 400 мкм, содержит регулируемый источник 3 тока, в данном примере, регулируемый блок питания LDD-10N также производства ЗАО «Полупроводниковые приборы». Длина волны излучения лазера 1 составляет 970±10 нм. Блок 4 управления представляет собой микропроцессор, обеспечивающий возможность установки параметров работы драйвера через интерфейс RS-232.

Датчик 5 тока представляет собой калиброванное сопротивление номиналом 10 Ом. Датчиком 6 мощности излучения лазера является кремниевый фотодиод.

Драйвер содержит инфракрасный фотодиод 7 марки PD 19 Su/Sr производства ООО «Иоффелед», Санкт-Петербург, выполненный на базе полупроводниковой гетероструктуры типа InAs_1-xSb. Спектр чувствительности фотодиода 7 не перекрывает длину волны излучения лазера 1 и составляет 1900±200 нм.

Усилитель-преобразователь 8 тока инфракрасного фотодиода 7 выполнен на прецизионных малошумящих операционных усилителях ISL28190 фирмы Intersil, США. Блок 9 обработки сигнала и передачи данных представляет собой микроконтроллер ADuC 7026 фирмы Analog Device, США. Рабочее оптическое волокно 2 выполнено с ответвлением 10, представляющим собой оптическое волокно диаметром 200 мкм.

Устройство работает следующим образом.

Для стабилизации температуры торца оптического волокна 2 оператор устанавливает переключатель режимов работы драйвера на блоке 4 управления в соответствующее положение.

Для задания требуемых условий стабилизации температуры в микропроцессор блока 4 управления заносят значение требуемой рабочей температуры на торце оптического волокна 2 (Т₀). Это может производиться дистанционно с помощью интерфейса RS-232 путем подключения драйвера к персональному компьютеру. Помимо значений рабочих параметров в блоке 4 управления хранятся максимально допустимые значения тока накачки лазера (I_max) и температуры торца оптического волокна (Т_mах). В процессе работы полупроводникового лазера 1 сигнал с выхода инфракрасного фотодиода 7 непрерывно поступает на вход усилителя-преобразователя 8 тока инфракрасного фотодиода, с выхода которого поступает на третий вход блока 4 управления, при этом на первый вход блока 4 поступает сигнал от датчика 6 мощности излучения лазера, а на его второй вход поступают сигналы от датчика 5 тока. В блоке 4 управления постоянно ведется сравнение сигналов, поступающих с указанных датчиков с максимально допустимыми значениями I_max и Т_mах для отключения питания полупроводникового лазера в случае превышения хотя бы одним из указанных параметров допустимых значений. Сигнал от усилителя-преобразователя 8 непрерывно сравнивается со значением Т_о и используется для формирования управляющего сигнала, поступающего на вход регулируемого источника 3 тока. Управляющий сигнал, поступающий в блок 3, изменяет значение тока, поступающего к лазеру 1, и, соответственно, мощность его излучения до момента обеспечения заданного значения рабочей температуры на торце оптического волокна 2. Лазер 1 выполнен таким образом, что к нему может быть подключено оптическое волокно произвольной длины для доставки монохроматического лазерного излучения к объекту. При этом мощное лазерное излучение вызывает разогрев торца оптического волокна, зависящий не только от мощности излучения лазера, но и от характера и степени его загрязнения. Возникающее при этом нагреве тепловое излучение, спектральная мощность которого зависит от температуры и подчиняется хорошо известному закону Планка, распространяется согласно закону Ламберта равномерно по всем направлениям, в том числе и по оптическому волокну 2 в направлении обратном направлению распространения монохроматического лазерного излучения. Часть теплового излучения, распространяющегося от торца оптического волокна 2 через ответвление 10 оптического волокна 2, поступает на вход инфракрасного фотодиода 7, с электрического выхода которого сигнал поступает на вход усилителя-преобразователя 8.

Сигнал с выхода усилителя-преобразователя 8 тока инфракрасного фотодиода 7 поступает также на вход блока 9 обработки сигнала и передачи данных, в котором осуществляются вычисления, индикация и цифровая передача во внешние устройства (например, удаленный компьютер) значений температуры торца оптического волокна 2. Расчет текущих значений температуры «Т» по измеренным значениям тока инфракрасного фотодиода (I_ФД) осуществляется в соответствии с функциональной зависимостью, определяемой при градуировке фотодиода.

Индивидуальная градуировка инфракрасного фотодиода, предназначенного для измерения температуры торца оптического волокна, осуществляется известным способом с помощью калиброванного источника теплового излучения - модели абсолютно черного тела.

Таким образом, благодаря реализации настоящего изобретения обеспечивается возможность контроля температуры торца рабочего оптического волокна.

Для изготовления устройства использованы обычные конструкционные материалы и заводское оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данное изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».

Драйвер полупроводникового лазера, выполненного с возможностью подключения к его выходу оптического волокна, содержащий регулируемый источник тока, блок управления, датчик тока и датчик мощности излучения лазера, при этом выход датчика мощности излучения лазера подключен к первому входу блока управления, к оптическому входу датчика мощности излучения лазера подключен первый оптический выход лазера, ко второму оптическому выходу лазера подключено рабочее оптическое волокно, выход регулируемого источника тока подключен к электрическому входу лазера и ко входу датчика тока, выход которого соединен со вторым входом блока управления, выход которого соединен со входом регулируемого источника тока, отличающийся тем, что дополнительно содержит инфракрасный фотодиод, спектр чувствительности которого не перекрывает длину волны излучения лазера, усилитель-преобразователь тока инфракрасного фотодиода и блок обработки сигнала и передачи данных, при этом рабочее оптическое волокно выполнено с ответвлением, выход которого подключен ко входу инфракрасного фотодиода, выход которого соединен со входом усилителя-преобразователя тока инфракрасного фотодиода, выход усилителя-преобразователя тока инфракрасного фотодиода соединен со входом блока обработки сигнала и передачи данных и третьим входом блока управления.