專利名稱：激光束控制和傳遞系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及手術(shù)(surgical)激光器，更具體地涉及精確地且高效地將激光束導(dǎo)入光纖的激光束控制和傳遞系統(tǒng)。激光束控制和傳遞系統(tǒng)也提供附加的功能，包括對(duì)光纖末梢溫度控制系統(tǒng)和組織溫度感測(cè)系統(tǒng)的連接。本發(fā)明也涉及具有高效率熱電冷卻系統(tǒng)的手術(shù)激光器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及這樣一種類型的手術(shù)激光器，其中來(lái)自激光源的激光束通過光纖傳遞至手術(shù)地點(diǎn)。激光源可以是氣體激光器、固態(tài)激光器或優(yōu)選地是一個(gè)或多個(gè)激光二極管。利用激光二極管的手術(shù)激光器系統(tǒng)在2008年3月4日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/068，165以及2008年7月28日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/137，157中有記載。本文引用的這些和所有的專利以及專利申請(qǐng)全篇地納入于此作為參考。附圖簡(jiǎn)述

圖1示出利用兩個(gè)激光二極管和對(duì)準(zhǔn)激光器的手術(shù)激光器系統(tǒng)的平面圖，兩個(gè)激光二極管和對(duì)準(zhǔn)激光器使用本發(fā)明的激光束控制和傳遞系統(tǒng)被導(dǎo)入光纖。圖2示出圖1的手術(shù)激光器系統(tǒng)的側(cè)視圖。圖3示出手術(shù)激光器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，其中激光束控制和傳遞系統(tǒng)利用照相機(jī)來(lái)將激光束與光纖的纖芯對(duì)準(zhǔn)。圖4示出手術(shù)激光器系統(tǒng)的觸摸屏控制面板。圖5是具有光纖末梢溫度感測(cè)的手術(shù)激光器系統(tǒng)的光路圖。圖6是具有光纖末梢溫度感測(cè)和組織溫度感測(cè)的手術(shù)激光器系統(tǒng)的光路圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明具有冷卻系統(tǒng)的手術(shù)激光器系統(tǒng)的平面圖。圖8是圖7的手術(shù)激光器系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的側(cè)視圖。圖9示出利用支承支架作為冷卻系統(tǒng)的一部分的手術(shù)激光器系統(tǒng)。圖10示出與本發(fā)明的手術(shù)激光器系統(tǒng)一起使用的光纖裝置。
具體實(shí)施例方式圖1示出利用本發(fā)明的激光束控制和傳遞系統(tǒng)的手術(shù)激光器系統(tǒng)100的平面圖。圖2示出圖1的手術(shù)激光器系統(tǒng)100的側(cè)視圖。手術(shù)激光器系統(tǒng)100可利用包含氣體激光器、固態(tài)激光器或優(yōu)選地一個(gè)或多個(gè)激光二極管102的激光源。在圖示例子中，激光器系統(tǒng)利用兩個(gè)光纖耦合的激光二極管102和對(duì)準(zhǔn)激光器104。來(lái)自兩個(gè)激光二極管102和對(duì)準(zhǔn)激光器104的輸出光束是使用光束組合器106組合的。通過將來(lái)自兩個(gè)激光二極管102和對(duì)準(zhǔn)激光器104的光纖108的纖芯熔合在一起由此形成將來(lái)自這三個(gè)激光源的輸出光束進(jìn)行組合的單個(gè)光纖，從而形成光束組合器106。替代實(shí)施例可利用多個(gè)激光二極管模塊或激光二極管陣列以及一個(gè)或多個(gè)對(duì)準(zhǔn)激光器。激光二極管102可包括相同波長(zhǎng)的兩個(gè)激光二極管，例如兩個(gè)1470nm的激光二極管，或者這兩個(gè)激光二極管可具有不同波長(zhǎng)，例如一個(gè)1470nm激光二極管和一個(gè)980nm激光二極管。在當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例中，兩個(gè)激光二極管102各自具有將近50瓦的輸出功率，以形成將近100瓦的組合功率。其它的波長(zhǎng)和波長(zhǎng)組合以及功率電平也是可能的，這取決于手術(shù)激光器系統(tǒng)100所需要的組織效果。對(duì)準(zhǔn)激光器104是具有可見輸出光束的低功率激光源。對(duì)準(zhǔn)激光器104可產(chǎn)生單色對(duì)準(zhǔn)光束，例如紅、黃、綠或藍(lán)，或者其可產(chǎn)生多色對(duì)準(zhǔn)光束，該多色對(duì)準(zhǔn)光束可以是連續(xù)的或可被調(diào)制以指示激光器系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如前面引用的專利申請(qǐng)中描述的那樣。激光束控制和傳遞系統(tǒng)的核心組件是光學(xué)塊110，該光學(xué)塊110具有輸入端112、輸出端114、具有第一連接端口 118的右側(cè)116以及可選擇地具有第二連接端口 122的左側(cè)120。光學(xué)塊110大致呈中空矩形立體形狀，它具有腳部或凸緣124，所述腳部或凸緣124具有安裝孔126，所述安裝孔用于將光學(xué)塊安裝至激光器系統(tǒng)中的光學(xué)臺(tái)130或其它支承表面。其它形狀也是可能的。優(yōu)選地，為了強(qiáng)度和穩(wěn)定性，光學(xué)塊110是從一塊鋁或其它金屬機(jī)械加工得到的。

光束組合器106的遠(yuǎn)端附連于光學(xué)塊110的輸入端112上的輸入端口 132。準(zhǔn)直透鏡134被定位成使退出光束組合器106的遠(yuǎn)端并進(jìn)入光學(xué)塊110的激光束準(zhǔn)直。輸入端口 132與光學(xué)塊110的輸出端114上的輸出端口 146對(duì)準(zhǔn)。重定焦透鏡136位于輸出端口146前面。提供細(xì)調(diào)螺釘138以調(diào)節(jié)輸出端口 146沿X軸和Y軸相對(duì)于輸入端口 132的位置。連接器144被設(shè)置在光學(xué)塊110的輸出端114上以供插入光纖204的近端，用以將激光束傳遞至手術(shù)地點(diǎn)，如圖10所示。選擇地，光纖204包括近端連接器206，該近端連接器206包含裝置202，用于標(biāo)識(shí)光纖204和記錄與光纖204和手術(shù)激光器系統(tǒng)100的使用有關(guān)的數(shù)據(jù)。在一尤佳實(shí)施例中，裝置202可以是1-線串行存儲(chǔ)器裝置。近端連接器206可具有將該信息與激光器系統(tǒng)進(jìn)行通信的電連接，或者近端連接器206可針對(duì)與激光器系統(tǒng)的單向或雙向無(wú)線通信采用射頻標(biāo)識(shí)(RFID)技術(shù)。在一優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)置在光纖204的近端連接器206上或附近的RFID標(biāo)簽使用近場(chǎng)UHF傳輸?shù)腍F與手術(shù)激光器系統(tǒng)上的裝置通信。不需要直接的電連接。局部反射鏡140或其它類型的分束器被定位在光學(xué)塊110中處于輸入端112和輸出端114之間的中空空間128內(nèi)。優(yōu)選地，局部反射鏡140被定位成相對(duì)于從輸入端口 132延伸至輸出端口 146的光軸成近似45°的角度。其它安裝角度也是可能的。局部反射鏡140在兩個(gè)表面上均涂有用于激光器輸出光束的波長(zhǎng)的抗反射涂層，并在至少遠(yuǎn)端的第二表面上涂有用于紅外波長(zhǎng)的反射涂層。來(lái)自兩個(gè)激光二極管和對(duì)準(zhǔn)激光器的組合輸出光束從光束組合器106的遠(yuǎn)端射出，并經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡134和局部反射鏡140，并且通過重定焦透鏡136聚焦到光纖204的近端上，由此盡可能多的激光能量進(jìn)入光纖204的纖芯。光纖204通常為具有550微米直徑纖芯的600微米直徑光纖。也可使用其它光纖尺寸。從光纖204的遠(yuǎn)端部分回到光學(xué)塊110的輸出端口 146的光撞擊局部反射鏡140,并且朝向光學(xué)塊110右側(cè)上的第一連接端口 118反射紅外波長(zhǎng)和至少一部分可見光波長(zhǎng)。第一連接端口 118的直徑一般在10微米和1000微米之間，最典型地直徑接近100微米。定位在第一連接端口 118處或光學(xué)地連接于第一連接端口 118的組合式紅外檢測(cè)器和可見光檢測(cè)器150攔截反射的光并產(chǎn)生:第一信號(hào)，該第一信號(hào)指示返程的紅外光的量級(jí)——其被光纖末梢保護(hù)系統(tǒng)用于對(duì)光纖204進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)和控制；第二信號(hào)，該第二信號(hào)指示由視野保護(hù)系統(tǒng)和光纖斷裂檢測(cè)器使用的返程可見光的量級(jí)，如前面引用的專利申請(qǐng)中提到的。在一些實(shí)施例中，第一信號(hào)和第二信號(hào)以及這兩種信號(hào)之比可用于這些功能中的每一種功能?？蔀楦郊拥膫鞲衅骰蚱渌δ芴峁└郊拥倪B接端口?？蓪⒐饫w、中空波導(dǎo)或帶孔光纖插入到一個(gè)或多個(gè)連接端口以將光傳輸至一個(gè)或多個(gè)傳感器或檢測(cè)器。中空波導(dǎo)對(duì)于在較高波長(zhǎng)下傳輸?shù)牟蝗菀淄ㄟ^光纖傳輸光的光是尤為有利的。在替代實(shí)施例中，可使用涂有用于紅外波長(zhǎng)的反射涂層的局部反射鏡140來(lái)將返程的紅外光與返程的可見光分開并將它們導(dǎo)入到獨(dú)立的檢測(cè)器，如前面引用的專利申請(qǐng)中提到的。在激光源被短暫地切斷(例如達(dá)幾微秒)的同時(shí)，將發(fā)生光纖末梢保護(hù)系統(tǒng)對(duì)紅外信號(hào)的采樣，以使激光器的高強(qiáng)度輸出光束不壓倒來(lái)自通過光纖204返回的紅外光的信號(hào)?？赏ㄟ^使用鎖相環(huán)消除與激 光源的切斷周期不同相的其它信號(hào)，從而提高紅外信號(hào)的信噪比。圖5是可利用本發(fā)明的激光束控制和傳遞系統(tǒng)以進(jìn)行光纖末梢溫度感測(cè)的手術(shù)激光器系統(tǒng)100的光路圖。該實(shí)施例略微不同于圖1和圖2所示實(shí)施例的地方在于，使用兩個(gè)局部反射鏡Ml、M2以組合激光二極管102和對(duì)準(zhǔn)光束激光器104，而不是使用前面描述的光纖光束組合器106。在該例中，激光二極管102是1470nm激光器而對(duì)準(zhǔn)光束激光器104是635nm的紅光激光器。鏡Ml被涂層以使1470nm光透過并反射其它波長(zhǎng)。鏡M2被涂層以反射635nm和“紅”顏色并使其它波長(zhǎng)透過，包括短IR波長(zhǎng)。除了用于光纖末梢溫度感測(cè)的硅IR和可見光檢測(cè)器150外，手術(shù)激光器系統(tǒng)100利用第二光檢測(cè)器152作為內(nèi)部功率計(jì)。1470nm激光束的絕大部分直接透過鏡Ml，但非常小百分比的光束被反射朝向第二光檢測(cè)器152。第二光檢測(cè)器152將產(chǎn)生與1470nm激光束的總能量成比例的信號(hào)，該信號(hào)可用來(lái)提供對(duì)所產(chǎn)生的實(shí)際激光器能量的顯示和/或?qū)⑺a(chǎn)生的實(shí)際激光器能量與設(shè)定的功率電平進(jìn)行比較以確定激光器效率。該激光器效率的測(cè)量可用來(lái)調(diào)度對(duì)激光器系統(tǒng)的維護(hù)。圖3示出手術(shù)激光器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，其中激光束控制和傳遞系統(tǒng)利用相機(jī)160來(lái)使激光束與光纖204的纖芯對(duì)準(zhǔn)。例如CMOS芯片相機(jī)或CCD相機(jī)之類的小型相機(jī)160被安裝以攔截來(lái)自光學(xué)塊110中的局部反射鏡140的反射光。如圖3所示，涂有用于紅外波長(zhǎng)的反射涂層的第二局部反射鏡142或其它類型分束器可用來(lái)將返程紅外光與可見光分開。第二局部反射鏡142將返程的紅外光導(dǎo)入到紅外檢測(cè)器150，而可見光被允許經(jīng)過照相機(jī)160。替代地，第二部分反射鏡142可具有用于可見光波長(zhǎng)的反射涂層以將可見光引導(dǎo)至相機(jī)160，而紅外光被允許通過紅外檢測(cè)器150。相機(jī)160提供光纖204近端的圖像，這允許X軸和Y軸在輸入端口 132上的精確調(diào)整，以使來(lái)自光束組合器106的激光點(diǎn)精確地位于光纖204的纖芯上而不是在光纖的包層或外套上。相機(jī)160也可用來(lái)對(duì)當(dāng)激光器接通時(shí)形成的任何熱點(diǎn)進(jìn)行成像和標(biāo)識(shí)。這允許光纖和激光束控制和傳遞系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)的問題的快速診斷和故障查找。替代地，相機(jī)160可直接安裝于或光學(xué)連接于光學(xué)塊110右側(cè)上的第一連接端口118。這可以是暫時(shí)進(jìn)行的，例如在激光器系統(tǒng)組裝期間將輸入端口 132上的X軸和Y軸對(duì)準(zhǔn)。如果相機(jī)160能提供返程紅外光和返程可見光的定量測(cè)量以供光纖末梢保護(hù)系統(tǒng)、視野保護(hù)系統(tǒng)和光纖斷裂檢測(cè)器使用，則相機(jī)160可永久地直接安裝于或光學(xué)連接于第一連接端口 118而不需要第二局部反射鏡142以及紅外檢測(cè)器或可見光檢測(cè)器。在手術(shù)激光器系統(tǒng)的另一實(shí)施例中，第二相機(jī)162可安裝在或光學(xué)連接于光學(xué)塊110左側(cè)上的第二連接端口 122。第二相機(jī)162將產(chǎn)生輸入端口 132和周圍結(jié)構(gòu)的圖像。來(lái)自第二相機(jī)162和/或紅外檢測(cè)器的信息可用來(lái)確定溫度并因此確定光束組合器106、準(zhǔn)直透鏡134等的工作狀況，這可用來(lái)診斷和故障查找關(guān)于激光束控制和傳遞系統(tǒng)的這些部件的問題。由于局部反射鏡具有用于激光波長(zhǎng)的反射涂層，因此對(duì)于來(lái)自激光束的損害而言，相機(jī)將是安全的。在手術(shù)激光器系統(tǒng)的另一實(shí)施例中，光纖末梢保護(hù)系統(tǒng)可配置成提供光纖末梢或光纖其它部分的實(shí)際溫度的定量測(cè)量。達(dá)成這個(gè)目的的一種手段是使用配置成感測(cè)兩個(gè)不同的紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外光的兩個(gè)紅外檢測(cè)器(或能提供兩個(gè)不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外光的單獨(dú)測(cè)量的單個(gè)紅外檢測(cè)器)。紅外信號(hào)的總量級(jí)將與光纖過熱的位置(即近端和遠(yuǎn)端)相關(guān)聯(lián)，而信號(hào)在兩個(gè)不同紅外范圍內(nèi)的量級(jí)比將與檢測(cè)到的熱點(diǎn)的溫度相關(guān)聯(lián)。該紅外溫度傳感器可使用黑體輻射器(具有接近I的放射率)校準(zhǔn)以產(chǎn)生查找表來(lái)確定溫度。所檢測(cè)到的熱點(diǎn)的熱常數(shù)也將與光纖過熱的位置相關(guān)聯(lián)并可用于光纖或激光束控制和傳遞系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)的問題的 診斷和故障查找。例如，光纖末梢上來(lái)自碳化組織的紅外信號(hào)將具有快速衰減，而來(lái)自過熱光纖末梢的紅外信號(hào)將具有更長(zhǎng)的衰減，另外來(lái)自過熱光學(xué)塊110的紅外信號(hào)由于較高的熱質(zhì)量而具有長(zhǎng)得多的衰減時(shí)間。在另一實(shí)施例中，手術(shù)激光器系統(tǒng)可配置成提供目標(biāo)組織溫度的定量測(cè)量。這種能力在諸如激光皮下脂肪切除、傷口愈合、組織粘結(jié)和癌檢測(cè)的應(yīng)用中將是有益的。用于檢測(cè)短波長(zhǎng)紅外(1.7微米左右)的紅外檢測(cè)器或照相機(jī)——例如In/GaAs傳感器——可以與前述可見光照相機(jī)相同的方式安裝。其它類型可利用的紅外檢測(cè)器包括硅、鍺和熱電檢測(cè)器。在激光源被切斷的時(shí)間段內(nèi)，紅外檢測(cè)器或相機(jī)可檢測(cè)目標(biāo)組織的溫度。紅外組織溫度傳感器可使用黑體輻射器(具有接近I的放射率)校準(zhǔn)以產(chǎn)生查找表來(lái)確定溫度。為了更精確，可使用可見光相機(jī)來(lái)產(chǎn)生正被測(cè)量的組織的彩色圖像，以估算組織的放射率。燒焦的組織將具有接近I的放射率，而正常組織將具有小于I的放射率?？蓪⒒谒浪愕慕M織放射率的校正因數(shù)作用于紅外信號(hào)，或者可創(chuàng)建將這兩種測(cè)量均考慮在內(nèi)的查找表。圖6是利用本發(fā)明的激光束控制和傳遞系統(tǒng)以進(jìn)行光纖末梢溫度感測(cè)和組織溫度感測(cè)的手術(shù)激光器系統(tǒng)100的光路圖。本實(shí)施例與圖5所示實(shí)施例類似，除了本實(shí)施例利用第三鏡M3以將光纖末梢溫度感測(cè)的信號(hào)和組織溫度感測(cè)的信號(hào)分離。同樣，在本例中，激光二極管102是1470mm激光器而對(duì)準(zhǔn)光束激光器104為635nm的紅色激光器。鏡Ml被涂層以使1470nm光透過并反射其它波長(zhǎng)。鏡M2被涂層以反射635nm和“紅”色并使包括IR波長(zhǎng)的其它波長(zhǎng)透過。鏡M3被涂層以反射所有IOOOnm以下的波長(zhǎng)，并使范圍在1400nm至2100nm波長(zhǎng)的光透過。鏡M3通過使IOOOnm以下的光朝向用于光纖末梢溫度感測(cè)的硅IR和可見光檢測(cè)器150反射并使范圍在1400nm至2100nm范圍內(nèi)的光透過至用于組織溫度感測(cè)的InGaAs紅外檢測(cè)器162來(lái)分離從光纖204返回的光。1470nm激光束的大部分直接透過鏡Ml,但很少百分比的光束被反射朝向第二光檢測(cè)器152。第二光檢測(cè)器152將產(chǎn)生與1470nm激光束的總能量成比例的信號(hào)，該信號(hào)可用來(lái)提供所產(chǎn)生的實(shí)際激光能量的顯示和/或?qū)⑺a(chǎn)生的實(shí)際激光能量與設(shè)定的功率電平進(jìn)行比較以確定激光器效率。這種激光器效率測(cè)量可用來(lái)調(diào)度對(duì)激光器系統(tǒng)的維護(hù)。替代地，該實(shí)施例的激光器系統(tǒng)100可利用如前面結(jié)合圖1和圖2描述的光纖光束組合器106來(lái)組合激光二極管102和對(duì)準(zhǔn)光束激光器104的輸出光束。如前所述，組織溫度感測(cè)可使用黑體輻射器來(lái)校準(zhǔn)。光纖204中的變化可影響組織溫度感測(cè)的校準(zhǔn)。為了將其考慮在內(nèi)，可測(cè)量每條光纖204的傳輸以確定由激光器系統(tǒng)100用來(lái)確定組織溫度的校正因數(shù)。校正因數(shù)可由操作者手動(dòng)輸入，或可將校正因數(shù)編程到光纖204的近端連接器206中的存儲(chǔ)器器件202，以使得激光器系統(tǒng)100在光纖204被插入到激光器系統(tǒng)100時(shí)對(duì)光纖204自動(dòng)重校準(zhǔn)。圖4示出手術(shù)激光器系統(tǒng)的觸摸屏控制面板170。觸摸屏控制面板170包括激光二極管的操作功率的實(shí)時(shí)柱狀圖172。顯示器可以激光器功率的瓦數(shù)、激光器系統(tǒng)的最大功率的百分比或當(dāng)前激光器功率設(shè)定的百分比為單位。該柱狀圖實(shí)時(shí)地向前后移動(dòng)以展示由激光器控制系統(tǒng)通過光纖施加的實(shí)際激光器功率。低于設(shè)定功率電平的功率電平的減少指示:因?yàn)楣饫w末梢的溫度已到達(dá)其溫度閾值，因此光纖末梢保護(hù)系統(tǒng)已減低激光器功率。除了移動(dòng)柱狀圖172，也可改變柱狀圖的顏色以指示光纖的當(dāng)前工作狀況。例如，當(dāng)光纖處于良好工作狀況時(shí)，柱狀圖可以是綠色，當(dāng)光纖接近其使用壽命的末期時(shí)它轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色，而當(dāng)光纖已達(dá)到其使用壽命的末期并在繼續(xù)手術(shù)過程之前應(yīng)當(dāng)被更換時(shí)它轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色。當(dāng)然也可采用其它顏色方案。作為替代或附加，可在顯示面板上獨(dú)立于功率柱狀圖地提供改變顏色和/或尺寸的光纖狀態(tài)指示。這些特征中的任何一個(gè)將允許操作者通過對(duì)顯示面板的快速一瞥來(lái)探知光纖的當(dāng)前工作狀態(tài)。圖7示出根據(jù)本發(fā)明的利用冷卻系統(tǒng)180的手術(shù)激光器系統(tǒng)100。圖8是圖7的手術(shù)激光器系統(tǒng)100和冷卻系統(tǒng)180的側(cè)視圖。手術(shù)激光器系統(tǒng)100優(yōu)選地配置有包括一個(gè)或多個(gè)激光二極管102的激光源。在圖示例子中，手術(shù)激光器系統(tǒng)利用兩個(gè)光纖耦合的激光二極管102和對(duì)準(zhǔn)激光器104。使用光束組合器106將來(lái)自兩個(gè)激光二極管102和對(duì)準(zhǔn)激光器104的輸出光束進(jìn)行組合。激光二極管102可包括相同波長(zhǎng)的兩個(gè)激光二極管，例如兩個(gè)1470nm激光二極管,或者這兩個(gè)激光二極管可具有不同波長(zhǎng),例如一個(gè)1470nm激光二極管和一個(gè)980nm激光二極管。在當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例中，這兩個(gè)激光二極管各自具有接近50瓦的輸出功率，并因此具有接近100瓦的組合功率。其它波長(zhǎng)以及波長(zhǎng)和功率電平的組合也是可行的，這依賴于手術(shù)激光器系統(tǒng)所需要的組織效果。對(duì)準(zhǔn)激光器104是具有可見光輸出光束的低功率激光源。對(duì)準(zhǔn)激光器可產(chǎn)生單色對(duì)準(zhǔn)光束，例如紅、黃、綠或藍(lán)，或可產(chǎn)生多色對(duì)準(zhǔn)光束，該多色對(duì)準(zhǔn)光束可以是連續(xù)的或可被調(diào)制以指示激光器系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如前面引用的專利申請(qǐng)中描述的那樣。激光二極管1 02相比之前利用氣體激光器或固態(tài)激光器的手術(shù)激光器系統(tǒng)而言是非常有效的，因此不需要對(duì)那些其它激光器系統(tǒng)而言必需的大體積、復(fù)雜和沉重的流體循環(huán)或冷凍循環(huán)冷卻系統(tǒng)。然而，為了激光二極管102的穩(wěn)定操作，仍然需要一些冷卻系統(tǒng)來(lái)將激光二極管維持在其工作溫度范圍內(nèi)，尤其是如在一些手術(shù)施行中可能要求的激光二極管長(zhǎng)時(shí)間地工作在高功率下。挑戰(zhàn)在于形成一種適合更緊湊和高效的激光二極管的緊湊、高效和流線形的冷卻系統(tǒng)。另一挑戰(zhàn)在于形成一種盡可能靜音和無(wú)振的冷卻系統(tǒng)。其本身的屬性決定了其相比之前的手術(shù)激光器系統(tǒng)具有顯著的進(jìn)步。熱電冷卻使用珀耳帖(Peltier)效應(yīng)以在兩種不同類型材料的結(jié)合處之間形成熱通量。珀耳帖冷卻器或熱電熱泵是固態(tài)活動(dòng)熱泵，它通過消耗電能逆著溫度梯度將熱量從設(shè)備的一側(cè)傳至另一側(cè)(從冷至熱)。熱電冷卻器可獲得足以使由激光二極管產(chǎn)生的廢熱消散的冷卻能力。然而，對(duì)于這種應(yīng)用，熱電冷卻器的冷卻能力受到激光二極管模塊可供將熱量傳遞至熱電冷卻器的冷側(cè)的小表面積的限制。由于由激光二極管模塊小的熱接觸面積產(chǎn)生的熱阻，因此將熱電冷卻器直接耦合至激光二極管模塊將不會(huì)導(dǎo)致足夠的冷卻以將激光二極管維持在其工作溫度范圍內(nèi)。需要一種方式來(lái)增加激光二極管模塊與熱電冷卻器熱耦合的有效熱接觸面積，從而減小冷卻系統(tǒng)中的熱阻。熱電冷卻器的冷卻能力也受可供散熱的熱電冷卻器的熱側(cè)上的表面積的限制。為此，增加熱電冷卻器的熱側(cè)上的有效表面積以進(jìn)一步減小冷卻系統(tǒng)中的熱阻也是有利的。盡可能有效地達(dá)成這些目的并且不會(huì)過度地增加手術(shù)激光器系統(tǒng)的體積和復(fù)雜度是優(yōu)選的。本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)180利用第一熱擴(kuò)散器(heat spreader) 182以將激光二極管102熱耦合至熱電冷卻器184的冷側(cè)。在當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例中使用的熱電冷卻器184能具有接近600瓦的連續(xù)冷卻，其熱側(cè)至冷側(cè)的溫差接近為15攝氏度，并具有接近900瓦的冷卻備用功率。其它尺寸和額定功率的熱電冷卻器可適用于其它激光器系統(tǒng)。第一熱擴(kuò)散器182具有接近平面結(jié)構(gòu)并同時(shí)沿兩個(gè)維度將熱量遠(yuǎn)離激光二極管散布。這有效地增加了激光二極管模塊102和熱電冷卻器184冷側(cè)之間的熱接觸面積。選擇第一熱擴(kuò)散器的材料和結(jié)構(gòu)以最小化激光二極管模塊102和熱電冷卻器184冷側(cè)之間的熱阻。優(yōu)選地，第一熱擴(kuò)散器182的表面積近似等于熱電冷卻器184冷側(cè)的表面積，因?yàn)轭~外的表面積對(duì)于熱傳遞來(lái)說(shuō)是無(wú)用的并因此是浪費(fèi)的。在圖示例子中，第一熱擴(kuò)散器182具有156_X120mm的尺寸，其厚度接近l_3mm，并且熱電冷卻器184具有接近156mmX 120mm的尺寸，其厚度接近3-6_。第一熱擴(kuò)散器182和熱電冷卻器184的其它尺寸也是可行的。冷卻系統(tǒng)利用第二熱擴(kuò)散器186以將熱電冷卻器184熱側(cè)熱耦合至帶冷卻鰭的散熱器188。第二熱擴(kuò)散器186具有近似平面的結(jié)構(gòu)并同時(shí)沿兩個(gè)維度將熱遠(yuǎn)離激光二極管散布。平面以外的結(jié)構(gòu) 也是可行的，尤其是第二熱擴(kuò)散器186的邊緣超出熱電冷卻器184的邊緣的情形。第二熱擴(kuò)散器186增加熱電冷卻器184熱側(cè)上的有效表面積，因此具有減小的熱阻和改進(jìn)的熱消散。選擇第二熱擴(kuò)散器186的材料和結(jié)構(gòu)以最小化熱電冷卻器184的熱側(cè)和散熱器188之間的熱阻。優(yōu)選地，第二熱擴(kuò)散器186具有顯著大于熱電冷卻器184的熱側(cè)的表面積的表面積。在圖不例子中，第二熱擴(kuò)散器186具有接近558mmX 355mm的尺寸，接近l_3mm的厚度，而散熱器188具有接近558mmX 355mm的尺寸，其冷卻鰭橫跨散熱器188的整個(gè)表面具有接近50mm的高度。第二熱擴(kuò)散器186和散熱器188的其它尺寸也是可行的。在該例中，熱電冷卻器184具有接近19800mm2的表面積而第二熱擴(kuò)散器186具有接近198000mm2的表面積,或者接近熱電冷卻器184的表面積的10倍。其它尺寸和表面積比可適用于其它激光器系統(tǒng)。優(yōu)選地，冷卻系統(tǒng)還包括一個(gè)或多個(gè)風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)190，用于使冷卻空氣跨散熱器188的冷卻鰭循環(huán)。例如，可使用高性能可變速電風(fēng)扇，諸如加利福尼亞州的圣路易斯-奧比斯波的Xcelaero公司出售的狂風(fēng)(Squall) 50。這種風(fēng)扇的高效率將降低冷卻系統(tǒng)的總功率需求。選擇地，可使用擋板或管道在散熱器188的冷卻鰭上引導(dǎo)和分配來(lái)自風(fēng)扇190的氣流。在本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二熱擴(kuò)散器182、186被配置成二相蒸發(fā)熱擴(kuò)散器。適用于本發(fā)明的一種這樣的熱擴(kuò)散器是佛羅里達(dá)州邁阿密的Celsia科技公司出售的NanoSpreader 。該NanoSpreader 是其中真空密封純水的銅包裹二相蒸氣腔。液體由銅絲網(wǎng)油繩吸收并作為蒸氣傳遞通過微穿孔的銅片，在那里蒸氣冷卻并作為液體返回到油繩。NanoSpreader 是所述固態(tài)銅重量的一半,但仍然能以大約10倍的速率(導(dǎo)熱率)傳熱。NanoSpreader 是完全無(wú)源傳熱的裝置并且不需要外部功率輸入。多種標(biāo)準(zhǔn)尺寸或定制尺寸的NanoSpreader 模塊可一起使用以獲得前面例子中提到的熱擴(kuò)散器的尺寸。也可使用具有不同傳熱流體的其它熱擴(kuò)散器。在一優(yōu)選實(shí)施例中，第二熱擴(kuò)散器186可配有冷卻鰭，該冷卻鰭直接地一體形成在二相蒸發(fā)熱擴(kuò)散器以作為整體散熱器188并減少材料界面的數(shù)目并因此減少冷卻系統(tǒng)的總熱阻。在本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)的另一實(shí)施例中，第一和第二熱擴(kuò)散器182、186由相比鋁或銅具有明顯更高的熱擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)的材料構(gòu)成。一種適于用作本發(fā)明的熱擴(kuò)散器的材料是CarbAl ，它是得克薩斯州奧斯汀的應(yīng)用納米科技股份公司出售的由80%含碳基質(zhì)和散布的20%鋁金屬組分構(gòu)成的基于碳的金屬納米合成物。該納米合成物熱擴(kuò)散器是完全無(wú)源傳熱的裝置并且不需要外部功率輸入。納米合成物熱擴(kuò)散器的另一潛在優(yōu)勢(shì)是可使熱傳遞成為定向的?？墒辜{米合成物熱擴(kuò)散器沿X方向和Y方向和/或Z方向傳熱以使熱量盡可能高效地移動(dòng)離開二極管激光器模塊。在一優(yōu)選實(shí)施例中，第二熱擴(kuò)散器186可配有直接集成在納米合成物熱擴(kuò)散器中的冷卻鰭，以充當(dāng)整體式散熱器188并減少材料界面的數(shù)目并因此減小冷卻系統(tǒng)的總熱阻。 在其它實(shí)施例中，本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)可對(duì)于第一或第二熱擴(kuò)散器182、186利用二相蒸發(fā)熱擴(kuò)散器，而對(duì)于其它熱擴(kuò)散器采用納米合成物熱擴(kuò)散器。描述本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的另一種方式是定位成冷側(cè)在上且熱側(cè)在下的熱電冷卻器被“夾”在頂部上的第一熱擴(kuò)散器182和底部上的第二熱擴(kuò)散器186之間。為了良好的熱接觸，激光二極管模塊102被直接安裝在第一熱擴(kuò)散器182的頂部上。具有冷卻鰭的散熱器被直接安裝在第二熱擴(kuò)散器186下方，或更優(yōu)選地直接集成到第二熱擴(kuò)散器186之中。也可采用冷卻系統(tǒng)的其它定向來(lái)適應(yīng)激光器系統(tǒng)的不同結(jié)構(gòu)?？蛇x擇地，該“夾層”的每個(gè)界面可配置成改善各組件之間的耦合。例如，接觸表面可重疊在一起以增進(jìn)表面-表面接觸。作為替代或附加，可通過在各接觸表面之間施加熱油脂或其它傳熱化合物、通過用導(dǎo)熱粘合物粘合或通過焊接來(lái)提高熱耦合。優(yōu)選地，冷卻系統(tǒng)將包括用于測(cè)量激光二極管模塊的工作溫度的至少一個(gè)溫度傳感器。選擇地，可使用附加的溫度傳感器來(lái)測(cè)量熱電冷卻器184冷側(cè)和/或熱側(cè)的溫度和/或散熱器188的溫度。來(lái)自溫度傳感器的信號(hào)將被微控制器用來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制。微控制器控制至熱電冷卻器184的電流并可選擇地控制至冷卻風(fēng)扇的電流以將激光二極管模塊的工作溫度維持在可接受的范圍內(nèi)。微控制器可使用PID (比例積分微分)控制、PWM (脈寬調(diào)制)控制或其它已知的控制方案以在將激光二極管模塊的工作溫度維持在可接受范圍內(nèi)的同時(shí)優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的功率使用。微控制器的一個(gè)目的是優(yōu)化最低可能的功率運(yùn)用的熱交換。這有助于使手術(shù)激光器系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)能夠使用標(biāo)準(zhǔn)120伏AC出口來(lái)運(yùn)作，而不需要在操作室內(nèi)采用更費(fèi)成本的高安培數(shù)或240伏布線?？蛇x擇地，冷卻系統(tǒng)可密封入具有例如干氮的干燥氣體的隔熱箱內(nèi)以防止冷凝物形成在任一冷側(cè)組件上。僅散熱器188和冷卻鰭將露出于隔熱箱之外以允許來(lái)自冷卻風(fēng)扇190的冷卻空氣流過鰭以散熱。替代地，冷卻系統(tǒng)可包括濕度傳感器以避免在任一冷卻側(cè)組件上形成冷凝物。來(lái)自冷凝物的濕氣不僅可能對(duì)激光器系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的組件造成損害，還意味著冷卻系統(tǒng)可能工作過量并因?yàn)槭箍諝庵械臐駳饫淠速M(fèi)能量。優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的功率運(yùn)用應(yīng)當(dāng)包括避免形成冷凝物。如有需要，可將冷卻系統(tǒng)配置成將廢熱傳至更遠(yuǎn)離激光二極管模塊的位置。例如，可在散熱器188處吸收廢熱并將廢熱傳至激光器系統(tǒng)外殼之外的換熱器。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的一種技術(shù)是氣泡泵閉環(huán)液體冷卻系統(tǒng)，例如加利福尼亞州的庫(kù)珀蒂諾的Noise Limit公司出售的SILENTFLUX 氣泡泵。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的另一種技術(shù)是環(huán)形熱管或溫差環(huán)流熱管，例如賓夕法尼亞州藍(lán)開 斯特的Thermacore公司出售的那些。這些技術(shù)能將熱量傳至距離熱源1-23米的位置。它們是可靜音工作的無(wú)源設(shè)備。僅有的噪聲源和振動(dòng)源是位于換熱器處的可任選冷卻風(fēng)扇。另一選擇是利用激光器系統(tǒng)100的支承支架192作為冷卻系統(tǒng)的一部分。圖9示出利用支承支架192作為冷卻系統(tǒng)的一部分的手術(shù)激光器系統(tǒng)100。冷卻系統(tǒng)的各個(gè)組件可容納在支承支架之內(nèi)，例如冷卻風(fēng)扇190和/或外部熱交換器。將外部換熱器設(shè)置在與冷卻系統(tǒng)180連接的支承支架192中將使廢熱更遠(yuǎn)離二極管激光器模塊處的熱源移動(dòng)。這種配置也可減少激光器系統(tǒng)100的總噪聲水平。在一種選擇中，支承支架192的柱腳194可用作空氣管道196以將冷空氣向上帶到激光器系統(tǒng)外殼之下。如圖9所示，冷卻風(fēng)扇190可將冷空氣帶入到位于支承支架的柱腳194上高于地板水平的側(cè)孔198?？墒褂煤Y網(wǎng)和/或過濾器200來(lái)防止冷卻風(fēng)扇攜帶回程或碎屑。盡管已結(jié)合二極管激光器系統(tǒng)描述了本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)，然而該冷卻系統(tǒng)也可用于例如氣體激光器或固態(tài)激光器的其它激光器系統(tǒng)或其它需要冷卻系統(tǒng)的電子或工業(yè)應(yīng)用的溫度管理。盡管在這里已結(jié)合已針對(duì)示例性實(shí)施例或?qū)⒈景l(fā)明投入實(shí)踐的最佳方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，然而對(duì)本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚知道，可對(duì)本發(fā)明作出各實(shí)施例、調(diào)整例和變例的許多改型、改進(jìn)、組合和子組合而不脫離其精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種激光器系統(tǒng)，包括: 發(fā)射出第一波長(zhǎng)的第一激光束的第一激光器模塊； 位于所述激光束的路徑上的局部反射的第一鏡，所述第一鏡對(duì)于所述第一波長(zhǎng)是透射性的并在遠(yuǎn)端表面上涂有對(duì)紅外光波長(zhǎng)反射的涂層； 被定位在所述激光束的路徑上的處于所述第一鏡遠(yuǎn)端的光纖； 所述第一鏡被定位成使所述反射涂層將從所述光纖返回的紅外光束反射到局部反射的第三鏡上，所述第三鏡對(duì)于波長(zhǎng)在1400-2100nm范圍內(nèi)的紅外光是透射性的并在第一表面上涂有對(duì)低于IOOOnm的光波長(zhǎng)反射的涂層； 對(duì)波長(zhǎng)在IOOOnm以下的光敏感的第一光檢測(cè)器,所述第一光檢測(cè)器被定位成攔截從所述第三鏡反射的光；以及 對(duì)波長(zhǎng)在1400-2100nm范圍內(nèi)的紅外光敏感的第二光檢測(cè)器，所述第二光檢測(cè)器被定位成攔截通過所述第三鏡的光。
2.如權(quán)利要求1所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于，所述第一鏡在至少一個(gè)表面上涂有對(duì)所述第一波長(zhǎng)呈非反射的涂層。
3.如權(quán)利要求1所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于，還包括: 發(fā)射出可見光波長(zhǎng)的激光束的對(duì)準(zhǔn)激光器；以及 設(shè)置在所述第一鏡和第二鏡之間的局部反射的第二鏡，所述第二鏡在至少一個(gè)表面上涂有對(duì)可見光波長(zhǎng)反射并且對(duì)其它光波長(zhǎng)透射的涂層。
4.如權(quán)利要求3所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于，所述第二波長(zhǎng)大約為635nm。
5.如權(quán)利要求1所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于，還包括: 對(duì)所述第一波長(zhǎng)敏感的第二光檢測(cè)器，所述第二光檢測(cè)器被定位成攔截從所述第一鏡反射的第一激光束的一部分。
6.如權(quán)利要求1所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于，所述第一波長(zhǎng)大約為1470nm。
7.如權(quán)利要求1所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于，還包括: 發(fā)射出第二波長(zhǎng)的第二激光束的第二激光器模塊；以及 將所述第一激光束和所述第二激光束進(jìn)行組合的裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于，所述第一激光器模塊和所述第二激光器模塊是光纖耦合的激光器二極管，并且其中所述將第一激光束和第二激光束進(jìn)行組合的裝置包括光纖光束組合器。
9.一種激光器系統(tǒng)，包括: 激光器模塊； 與所述激光器模塊熱接觸的第一熱擴(kuò)散器，所述第一熱擴(kuò)散器被配置成使熱在至少兩個(gè)維度上擴(kuò)散； 具有與所述第一熱擴(kuò)散器熱接觸的熱側(cè)的熱電冷卻器； 與所述熱電冷卻器的冷側(cè)熱接觸的第二熱擴(kuò)散器，所述第二熱擴(kuò)散器被配置成使熱在至少兩個(gè)維度上擴(kuò)散。
10.如權(quán)利要求9所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于，所述第一熱擴(kuò)散器具有比銅的導(dǎo)熱性更大的導(dǎo)熱性，并且所述第二熱擴(kuò)散器具有比銅的導(dǎo)熱性更大的導(dǎo)熱性。
11.如權(quán)利要求9所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于，還包括:具有與所述第二熱擴(kuò)散器熱接觸的冷卻鰭的散熱器。
12.如權(quán)利要求11所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于，還包括: 配置成使空氣跨所述散熱器的冷卻鰭移動(dòng)的冷卻風(fēng)扇。
13.如權(quán)利要求11所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于，所述第一熱擴(kuò)散器、所述熱電冷卻器和所述第二熱擴(kuò)散器被密封到含干燥氣體的隔熱箱內(nèi)，而帶冷卻鰭的所述散熱器延伸到所述隔熱箱之外。
14.如權(quán)利要求11所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于，還包括: 具有柱腳的支承支架；以及 在所述柱腳內(nèi)的空氣管道。
15.如權(quán)利要求14所述的激光器系統(tǒng)，其特征在于，還包括: 冷卻風(fēng)扇，所述冷卻風(fēng)扇連接于所述柱腳內(nèi)的所述空氣管道并且被配置成使空氣跨所述散熱器的所述冷卻鰭移動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明總地涉及手術(shù)激光器，更具體地涉及一種準(zhǔn)確且有效地將激光束導(dǎo)入光纖的激光束控制和傳遞系統(tǒng)。該激光束控制和傳遞系統(tǒng)還提供額外的功能，包括與光纖末梢溫度控制系統(tǒng)和組織溫度感測(cè)系統(tǒng)的連接。本發(fā)明還涉及具有高效率熱電冷卻系統(tǒng)的手術(shù)激光器系統(tǒng)。
文檔編號(hào)A61B18/20GK103220995SQ201180029383
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2011年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者J·L·林克, A·宏 申請(qǐng)人:科威中公司