低能量激光（共7篇）
低能量激光 篇1
急性出血性、坏死性胰腺炎局限性腹膜炎开腹探查, 胰腺被膜切开减张, 胰腺引流术后患者腹胀, 仍高热, 腹腔引流有脓液引出, 二次手术风险较大, 经氦-氖激光引流口照射联合超短波治疗取得满意的治疗效果。
1 病例介绍
患者女性, 48岁, 以腹痛待查。急性坏死性胰腺炎, 局限性腹膜炎于2011年1月10日急诊入院, 人院后行开腹探查, 胰腺被膜切开、减张、胰腺引流术。木后患者腹胀.体温升高, 三腔引流管引流通畅, 但术后二周仍有高热, 考虑与脓肿形成有关, 遂于2月23日全麻下再次行胰腺坏死病灶清除, 胰周脓肿引流术。术后腹部切口液化, 坏死不愈合.腹腔引流管有脓液引出, 化验检查:白细胞1.38×109/L, B超示:手术切口下方左右侧腹腔内见4.7cm×3.1cm和4.2cm×2.5cm肿块.下腹部膀胱顶部见7.3cm×6.2cm×5.6cm肿块, 提示腹腔多发性脓肿。考虑脓肿位置深, 不易吸收, 再次手术, 危险性高, 来我科就诊。患者体弱, 贫血貌, 腹部微凸, 见13cm长切口, 切口液化, 坏死不愈合, 腹腔引流管有脓液引出。
2 方法
采用北京产LDT.CD3KA型超短波治疗机, 功率200W, 频率40.8MG, 板状电极16cm×12cm 2块, 患处前后对置, 间隙上3cm, 下4cm, 无热量, 12min, 每日一次。同时引流处采用长春产TCD全电脑100B型氦氖激光治疗仪, 输出功率:30m W, 光导纤维, 经安尔碘消毒后, 直接放置在清创干净的创面窦腔内, 照射10min, 每天一次, 3月29日10次治疗后, 病情稳定, 改超短波微热量15min继续治疗, 激光创面口照射, 此时热量液化的切口肉芽已基本长平, 拨管后的引流处仍有深约0.5cm创面, 表面少许脓苔, B超示:右上腹腔内见3.2cm×2.6cm肿块, 下腹部膀胱顶部见4.4cm×3.lcm肿块, 体温正常, 化验检查:白细胞:9.1×109/L, B超见下腹部低回声区域, 直径<1.0cm。余区域未见异常。超短波治疗30d, 激光照射治疗20d。痊愈出院。
3 体会
超短波能增强机体炎性组织中钙离子含量, 使钾离子减少, 降低炎性组织的兴奋性减轻术后炎性渗出[1]。增强机体的免疫功能, 增加网状内皮系统和多核细胞的吞噬能力, 增加补体凝集素和调理素等抑制细胞生长, 促进积液吸收。从而起到消炎和消肿作用。超短波又可加速局部血运, 增强机体的新胨代谢, 减轻局部缺氧, 增加营养供给, 刺激组织生长, 从而起到促进神经血管功能恢复和伤口创面愈合的作用[2]。
低能量氦氖激光照射对人体的穿透力较强, 能有效作用于机体深层组织, 加强细胞活力, 产生生物刺激效应, 改善微循环, 调节神经兴奋性[3], 已有研究发现, 低能量激光可改变机体组织理化状态, 激光能量被含水较高组织吸收后, 能促进局部血管扩张, 血流速度加快, 使局部氧, 营养物质及机体供给增加, 毛细血管内压降低, 可加速组织水肿吸收, 并且还能促进体内吗啡样物质释放。降低局部5-羟色胺的含量, 增加白细胞吞噬作用, 促进细胞免疫功能, 刺激神经末梢提高机体免疫和神经调节功能, 改善局部微循环, 增加新陈代谢, 促进肉芽组织生长, 加速创口愈合[4]。
参考文献
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[3]杨在富, 杨学庚, 高光煌.低能量激光免疫调节作用研究进展[J].中华理疗杂志, 2001, 24 (4) :44.
[4]张葵, 郭相萍.紫外线、氦-氖激光及超短波治疗术后切口裂开的疗效的观察[J].中华物理医学与康复杂志, 2011, 33 (5) :366-367.
低能量激光 篇2
选区激光烧结 (SLS) 技术是采用红外激光作为热源来烧结粉末材料成型的一种快速成型技术[1]。激光扫描是SLS成型工艺中的关键环节。成型过程中, 当新铺粉层预热达到稳态后, 进行激光扫描;在这个过程中, 粉末吸收激光能量, 温度升高熔化粘结;成型缸内部中心区预热温差较小, 而在靠近缸壁的区域, 由内到外预热温度呈明显降低趋势。由于预热温度不均匀, 导致SLS成型件密度不均匀[2,3]。
基于此, 本研究通过增加激光能量密度来对温度预热不足进行补偿, 从而提高SLS成型件机械强度。
1 激光与材料的相互作用
1.1 粉末能量密度差模型
粉床表面的激光能量密度直接影响到制件的烧结密度。能量密度是由激光功率、扫描速度和扫描间距决定的。能量密度差计算公式如下:
undefined
式中 erf—误差函数;Ar—粉床表面的吸收率;B—烧结宽度;ω—激光束的特征半径;P—激光功率;V—扫描速度。
1.2 激光能量输入下的粉末预热温差模型
SLS粉床表面预热温度在150 ℃～173 ℃之间。预热温度差 (粉床某点的实际预热温度与设置的预热温度) 可表示为[4]:
undefined
式中 C—比热容;ρ—铺粉密度;h0—烧结深度。
由以上两式计算可得, 在增加能量密度ΔE=1.5×10-3 J/mm2 (即约增加1 W功率或约减少0.01 mm扫描间距) 时, 能够补偿的预热温差ΔT=4.3 K (4.3 ℃) 。
1.3 能量密度对烧结件性能的影响
零件的机械性能与烧结密度有很大的关系, 在粉床表面的不同区域, 预热温度相差较大, 在同样的加工参数下导致烧结密度差别较大, 因此烧结件的机械性能差别也较大[5]。
2 试验研究
试验材料为Duraform PA, 是3D System生产的新一代复合粉末, 用它生产的热塑性塑料制品具有很好的表面质量和热稳定性, 并且能经受住严格的性能测试, 缩短制品的试验、生产周期[6,7]。
试验设备与仪器选择3D System公司生产的Sinterstation HIQ+HS快速成型机;游标卡尺;精度为0.000 1 g的电子天平。
2.1 能量密度对温度的补偿试验
参数设置:预热温度在155 ℃～173 ℃之间取7个水平, 每3 ℃调整激光能量密度, 同一预热温度做两组试验, 选用不同的调整激光功率和扫描间距。
试件:8 mm×8 mm×8 mm的方块, 按中心位置进行定位, 摆放在 (0, 0) 点。
各参数设置如表1所示。
2.2 温度补偿前后烧结成型件机械性能试验
以上分析了粉床表面的预热温度场, 以及能量密度和预热温度的共同作用对烧结件密度的影响。在研究能量密度调整对预热温度较低区域的密度改善的基础上, 本研究进行了强度试验。
试件根据塑料拉伸试样标准GB/T1040-2006确定, 采用标准型1B型样件 (如图1所示) , 样件尺寸如表2所示。试件在成型缸中竖直放置, 坐标位置分别为高度相同的3个典型位置a (0, -40, 200) 、b (0, -145, 200) 、c (135, -145, 200) 上, 竖直放置时试件截面较小, 按中心定位, 如图2所示。因为中间区域烧结良好, a位置试件按默认参数 (激光功率为22 W, 扫描间距为0.15 mm) 加工。而b、c位置试件各做两组, 一组选用默认参数加工, 另一组按调整的参数加工 (如表1所示) , 每组制备5个试件, 测试结果取平均值 (如表4所示) 。
试验设备采用深圳市瑞格尔仪器有限公司生产的KG4100型微机控制电子万能试验机, 拉伸速度为5 mm/s。
3 试验结果与分析
能量密度对温度的补偿试验结果数据如表3所示。
由试验结果可见, 在预热温度为155 ℃～173 ℃的区域按表1的温差与能量密度差进行参数调整, 试件烧结密度相近。将表1的温差与能量密度差进行拟合, 两者近似服从线性关系, 如图3所示, k为0.505, 得到两者的经验关系式:
ΔT=kΔE (3)
式中 ΔT—粉床表面某点温度与设定温度之差;ΔE—调整的能量密度与默认加工设置的密度之差。
根据试验温度场回归模型式Tp (x, y) =b1+b2x+b3x2+b4x3+b5y+b6y2+b7y3计算可知b位置的预热温度为161 ℃, 根据能量密度对温度的补偿经验关系式, 需要增加的激光能量密度为6.13×10-3J/mm2, 取激光功率为26 W, 扫描间距为0.15 mm;计算得到c位置的预热温度为155 ℃, 根据式 (3) 计算得到需要增加的激光能量密度为9.19×10-3J/mm2, 取激光功率为28 W, 扫描间距为0.15 mm。
烧结成型件机械性能试验结果数据如表4所示。
由试验结果可见, 在同一加工参数下, 不同位置的烧结件拉伸强度相差很大。其中预热温度良好区域a处的试件强度达到了48.8 MPa, 拉伸断口凹凸不平 (如图4 (a) 所示) , 说明烧结良好, 接近实体尼龙产品;在靠近成型缸壁的b处试件强度相对要小很多, 只有32.6 MPa;而在角落位置的c处, 试件烧结很不充分, 仅为15.5 MPa, 其断口平整 (如图4 (b) 所示) , 说明层与层之间粘结不良, 在较小的作用力之下就相互脱离。
在b、c位置处, 调整激光能量密度后, 单位面积的激光能量输入增大, 补偿了预热温度的不足, 试件烧结充分, 产品强度得到提升, 满足了机械性能要求。试验结果说明, 将式 (3) 应用于实际烧结可取得较好的效果。
强度试件竖直放置时截面较小, 所以按中心定位, 设置参数进行加工。而当实际加工件较大时, 其性能由强度最薄弱处决定, 因此烧结时可按截面上最低预热温度处计算所需调整的激光能量密度, 从而设定参数进行加工。
4 结束语
本研究分析了激光与材料的相互作用, 基于粉床表面接受的激光能量密度的理论, 利用改善烧结密度的能量密度调整公式, 并结合试验分析了调整能量密度对烧结密度的影响, 得到了预热温差与能量密度差的经验公式。最后将经验公式应用于烧结强度试验件, 分析结果表明, 该方法能够提高产品机械强度。
摘要：选择性激光烧结 (SLS) 成型预热温度从成型缸中间到缸壁呈降低趋势, 由于预热温度不均匀, 导致SLS成型件密度不均匀。针对这一问题, 通过增加激光能量密度对预热温度不足进行了补偿。通过试验建立了激光能量密度差ΔE与预热温差ΔT的经验公式, 并比较了温度补偿前后烧结件的机械强度。实验结果表明, 通过增加激光能量密度对预热温度不足进行补偿, 提高了产品机械强度。
关键词：选择性激光烧结,能量密度,烧结密度,温度补偿
参考文献
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低能量激光 篇3
激光数控切割机是一种多功能、高速、高效、低劳动强度和高度自动化的薄板材料自动切割设备, 广泛地应用在汽车制造、航空航天、机械制造、石油化工等领域。也是激光加工技术中最具有市场前景和工业应用背景的技术之一, 占70%以上份额。同常见的火焰切割和等离子切割相比, 数控激光切割机具有特殊优点, 这些优点决定了激光切割技术更加广泛的适应范围和应用前景。
激光切割具有高速度、高精度和高适应性。其中割缝细 (0.2~0.3 mm) , 热影响区小 (0.2~0.4 mm) , 切割端面质量好 (表面粗糙度可达到Ra6.3) , 且切割无噪声。激光可切割大部分的金属、非金属材料、合成材料、纤维织物等, 尤其是其他工艺方法无法加工的超硬材料和稀有金属等。
开展对高速数控激光切割技术和装备的研究, 系统解决高速激光切割的一些关键问题, 使得国产的数控激光高速切割机在速度、精度指标上达到国际先进水平。并通过对高速激光切割设备的控制系统研究, 可以突破激光切割装备对国外控制系统的依赖, 促进我国高速激光切割装备设计与制造水平的发展。并最终实现产业化来提高国内切割行业的技术水平, 创造出良好的社会效益和经济效益。
二、影响切割质量的切割工艺参数分析
在实际生产中, 激光切割质量的优劣一般指切割尺寸精度高低和切割端面质量的好坏。目前国际上对激光切割的质量评价还没有统一的标准, 一般按以下4个指标进行判断:
(1) 切口宽度及表面粗糙度。
(2) 热影响区的宽度, 有无烧伤。
(3) 切口断面的波纹。
(4) 切口断面或下表面有无挂渣。
影响激光切割质量的因素很多, 除了切割参数和工件本身特性的影响以外, 还同照射功率密度、喷嘴直径和喷嘴与工件表面间距等因素有关。综合国内外大量的理论研究和实验分析, 影响激光切割质量的主要因素可以分为两类:一类是加工系统性能和光的影响;另一类是加工材料因素和工艺参数的影响, 具体如图1所示。
在影响激光切割质量的诸多因素中, 有的是由加工工作台本身确定的, 如机械系统精度、工作台振动程度等;有的是材料固有的因素, 如材料的物理化学性质、材料的反射率等;而还有一些因素是要根据具体的加工对象以及用户质量的要求做出选择, 进行相应的调整, 来确定相关的参数, 如输出功率、焦点位置、切割速度以及辅助气体压力等等。因此, 对于一个完整的系统, 必须对其可控因素与加工质量之间的关系进行深入地研究, 在掌握其规律基础上, 采用数控方法进行最优化控制。
1. 激光功率
激光功率是影响切割质量的重要因素之一。对于特定的工件, 一定的功率对应一定的最佳切割速度。激光功率越大, 可切割的厚度就越大。但随着激光功率的增加, 切缝宽度和热影响区均增大, 容易产生端面烧伤。表面粗糙度和切口端面波纹随激光功率变化不明显。
2. 切割速度
在激光功率一定时, 不同的切割速度对切缝质量及工件背面的挂渣影响不一样。实验表明, 在能切透的前提下, 切割速度越慢, 工件光照时间越长, 温度越高, 热影响区越大, 因而切缝粗糙, 挂渣多。切割速度在一定程度内越快, 切缝质量越好, 其切缝整齐, 宽度小, 挂渣少, 变形小;当切割速度快到一定程度时, 辅助气体来不及吹除切缝的熔渣, 造成切口清渣不净, 切缝变得粗糙。
可见, 对任何一种材料, 在激光功率等加工条件一定的情况下有一个最佳切割速度。若能在切割过程中保证恒定的最佳切割速度, 效果最好。
3. 焦点位置
切割过程中激光的焦点位置也是影响激光切割质量的重要因素, 它直接影响切口宽度、切断面粗糙度、挂渣附着情况。这是因为根据焦点位置, 被加工物表面的光束以及焦点深度有所变化, 从而使加工沟的形状引起变化, 影响通过加工沟内的加工气体及熔融金属的流动。图2表示激光焦点位置的几种情况。
在图2中, 左图表示焦点在工件表面, 可进行切割沟窄、切割精度高的加工;中图表示焦点在工件表面以上, 可以扩宽切割沟下部的宽度, 提高气体及熔融物的流动性;右图表示焦点在工件表面以下, 可以扩宽切割沟上部的宽度, 提高气体及熔融物的流动性。
焦点位置的控制好坏对于切口质量影响极大。对于6 mm以内金属薄板的切割, 焦点在材料表面上下一定范围内都可以不沾熔渣地切割。对于不同的激光切割以及不同的切缝宽度和质量要求, 具体的焦点位置应由实验确定。为了获得稳定的高质量切割, 焦点位置 (即喷嘴高度) 必须恒定。一般工业激光切割机都配有高度传感器, 也就是采用Z轴随动系统来自动跟踪喷嘴高度。
4. 辅助气体种类与压力
激光切割时需喷射同轴辅助气体, 其主要作用一是吹除切割熔体和熔渣, 保持切割断面整洁;二是加快切割过程, 加深切割深度, 减小切缝宽度和热影响区宽度;三是保护激光器透镜不受加工飞溅物损伤并冷却透镜。使用不同种类的辅助气体, 对切割质量会产生不同的影响, 对于不同材料和不同加工参数也应选择不同的辅助气体压力, 以获得良好的切割质量。因此辅助气体的选择是获得高质量切割效果的关键参数之一。
5. 喷嘴
喷嘴对激光切割质量的影响主要表现在对切口空气流动性的影响。如果切割喷嘴选用不当或维护不善会造成污染或损伤, 或者喷嘴口不圆或堵塞, 会形成喷气涡流, 导致切割质量明显下降。
(1) 喷嘴直径。激光切割中, 都有针对不同材料推荐使用的喷嘴型号, 因为喷嘴口大小会影响出口压力分布, 影响切割速度。喷嘴直径过大或过小, 都会对热影响区、切缝宽度和熔渣的顺利排出造成影响。
(2) 喷嘴距离。喷嘴距离过大或过小, 都会减弱对熔渣的驱散能力, 不利于切割。
综上所述, 影响激光切割质量的最重要原因可以归结两个方面:一是激光输出能量在切口处的能量分布, 二是切割过程中切口附近空气的流动特性。对于切口附近的空气流动性通常需要通过实验的方式调整加工条件及加工参数来选择最合适的组合, 而切口处的能量分布则可以通过理论分析和仿真来进行分析。
三、激光切割过程中能量分布模型的研究
1. 激光切割过程中的能量分布
激光切割的一个重要因素是入射激光在工件切口烧蚀前沿的吸收, 它是激光进行有效切割的基础。激光的吸收取决于激光的偏振性、模式、烧蚀前沿的形状和倾角以及材料性质等一系列因素。烧蚀前沿由吸收的激光能量加热而融化, 并被气流吹除, 部分热量则通过热传导传入基体材料。在激光切割的加热阶段, 板材在激光照射下, 其表面被加热到达燃点温度时开始熔化。假设不发生汽化, 则切割过程的热平衡方程见式 (1) 。
式中Plas———工件吸收的激光功率
Qheat———将切缝金属加热至熔点所消耗的热量
Qmelt———将切缝金属熔化所消耗的热量, 即材料的熔化潜热
Qcond———单位时间热传导热量损失
能量从切割区损失的方式除了热传导, 还有对流和辐射。根据Lim研究报道可知, 激光切割中最主要的热损失是由于热传导, 而热辐射以及对流导致的散热非常小, 以至于可以忽略不计。
切割过程中的能量平衡方程中, 工件吸收的激光功率Plas由式 (2) 得到。
式中A———工件对激光的吸收率
Pout——激光输出功率
材料对激光的吸收率受到波长、温度、表面粗糙度、表面涂层等多因素的影响。经过实验验证, 波长越短, 吸收率越高。材料对激光的吸收率随温度而变化的趋势是随温度升高而增大。计算中可取其平均吸收率。
将切缝金属加热至熔点所消耗的热量Qheat的计算公式见式 (3) 。
式中m———单位时间燃烧的切缝金属质量
c———比热容
DT——温升, DT=Tm-T0
Tm——工件的熔点温度
T0———环境温度
将切缝金属熔化所消耗的热量Qmelt的计算公式见式 (4) 。
式中Lm——材料熔化相变的比焓
单位时间燃烧的切缝金属可以看作一个长方体, 其长为单位时间割炬移动的距离, 宽为切缝宽度, 高为板材厚度。因此, 单位时间燃烧的切缝金属质量可由式 (5) 得出。
式中r——工件密度
v———切割速度
D———切缝宽度
H———板材厚度
因此, 综合 (1) ~ (5) 式可得激光切割热平衡方程式 (6) :
2. 数控系统可控能量模型的分析
由 (6) 式可得激光输出功率和速度的关系见式 (7) 。
对于一定的材料, 其熔点、比热容、密度、厚度和吸收率都是一定的, 因此, 要想切割出的切缝宽度为D, 则热平衡方程中r和v在其变化范围内应呈线性关系, 即激光的输出功率应随速度的升高而升高, 随速度的降低而降低。由此可知, 激光器输出功率和切割速度是密切相关的, 增大激光功率和降低切割速度, 都会造成切缝宽度增加, 热影响区变大。反之, 则有利于减小切缝和热影响区宽度。
从板材对激光能量吸收的角度来看, 激光功率和切割速度之所以对切割质量产生相关的影响, 是因为当其他参数不变的情况下, 激光功率和切割速度共同决定了板材上单位面积吸收的激光功率, 即激光功率密度。如果把单位时间板材表面的切缝看成长为v, 宽为D的矩形, 则激光功率密度如式 (8) 所示。
通过前面的加工参数对切割质量的分析可知, 对于特定的材料, 切口处的能量分布是影响激光切割加工质量的重要因素, 而切口处的能量输入就是激光切割的功率密度。功率密度过大, 则材料过烧, 使切缝变宽, 并使热影响区域显著增大;功率密度过小, 则会使切口清渣不净, 切口变得粗糙, 甚至切不透。
激光切割某一种板材, 要想获得最佳的切割质量 (尽量小的切缝和良好的表面质量) , 必须将激光功率密度调整到一个最佳值。这个调整过程一般是在开始切割之前, 根据NC代码设定的切割速度和板材性质设定一个合适的激光输出功率, 而在切割过程中激光输出功率一般是不变的。但是在实际切割过程中, 由于激光切割头是有一定惯量的, 在启动和停止时必须有一个加速和减速的过程, 对于有些轨迹图形的拐角处也需要有一个加速和减速的过程, 甚至会在拐角处将速度减到零。由于在材料尖角等处激光停留时间加长, 很容易使尖角烧蚀。因此, 如果能让激光输出功率随切割速度的改变而改变, 将能获得平稳的激光切割功率密度, 达到满意的激光切割质量。
四、可控能量模型在数控激光切割系统中的实现
1. 可控能量模型实现的原理
通过上节分析知道控制激光输出功率可以提供稳定的激光功率密度, 改善切割质量, 而要控制激光输出功率就要实时监控系统的切割速度反馈信号。在CNC系统中反馈信号的采集一般采用专用的运动控制卡或数据采集卡, 由于本数控系统采用的是全软数控系统平台, 因此可以直接调用NC系统API就可以直接从运动控制引擎中读取当前的切割速度信息。其控制原理图如图3所示。
功率控制模块通过Servo Works提供的API函数获得切割速度值, 并通过上节提到的功率速度模型最佳匹配模型计算出当前速度需要加载的激光输出功率, 再经过数字电位计将数字信号转换为模拟信号 (电阻信号) , 通过这些电阻信号来调节电流大小, 经多级放大后来控制激光器高压激励电流的大小, 以达到控制激光输出功率的目的。
2. 可控能量模型的实现
由上节可控能量模型原理可知, 功率控制模块输出的功率信号经过数字电位器转换成模拟量信号, 再经过放大去控制激光器高压激励电流的大小, 从而来控制激光器的输出功率。
由于激光输出功率随切割速度呈线性变化, 只要速度一有变化就会引起激光器输出功率的变化。因此, 如果激光输出功率简单地与速度的变化成比例, 势必造成系统的不稳定和激光器寿命的过度耗损。为了更好地实现激光器的功率控制, 需要解决以下几个问题。
(1) 切割速度为零时, 系统可能处于两种加工状态:一种是割炬正在对板材进行切割前的开孔, 一种是割炬走到了待切割图形的拐角处, 速度暂时减到了零。功率控制模块需要能识别这两种状态, 在第一种状态时提供额定输出功率, 在第二种状态时提供较低的输出功率。
(2) 当切割速度处于加速或减速阶段, 速度的变化很快, 为了使系统更稳定, 激光输出功率不能时刻随速度变化而变化, 而要相对的稳定。
(3) 激光器的输出功率有一个变化范围, 一般是在最低输出功率和额定功率之间。如果根据速度计算出的最佳匹配功率超出这个范围, 则需自动进行截断。即高于额定功率就取额定功率输出, 低于最低输出功率就取最低功率作为输出。
五、小结
由激光切割的原理与方式, 引出激光切割质量的一般评价标准。介绍影响激光切割质量的各种因素, 着重分析主要可控因素对激光切割质量影响的结果和原因, 并且对切口端面的能量分布做了理论分析, 根据切割过程中的能量平衡方程建立了功率密度最佳化的功率—速度匹配模型。最后介绍了在激光切割机数控系统中实现功率自适应控制的方法。
摘要：激光加工参数对切割质量的影响, 分析切口的能量分布模型, 根据切割过程中的能量平衡方程建立功率密度最佳化的功率—速度匹配模型, 开发数控系统的激光功率控制模块, 将激光功率自适应控制功能集成到激光切割数控系统上。
低能量激光 篇4
现有激光快速成型系统使用的激光光源大都是气体激光器。气体激光器具有体积大、可靠性差、寿命短、光谱固定不可选等缺点,因而我们要研究新型的能量源。与气体激光器和其他固体激光器相比,半导体激光器具有体积小,功耗低,寿命长,光谱可选等优点而成为许多领域如固体激光器的泵浦、激光打印、扫描、显示、数据存取、遥感、光通信等的重要光源。而另一种国际上近来发展的可应用于快速成型技术的激光器——光纤激光器具有散热面积大、光束质量好、体积小巧等优点,也已在高精度激光加工、光通信、激光雷达系统、空间技术、激光医学等领域得到应用[1]。
1高功率半导体激光器线阵
高功率半导体激光器线阵是由分立的激光源经过特殊加工方法形成一定间距的发光阵列,所发激光束经快轴、慢轴准直透镜准直后,保证在前方工作平面上形成一条一定宽度的激光束;两排这样的线阵交叉补偿组合形成一连续的线阵能量源。各激光源由微机控制,其发光与否可实现激光束的变长线。
1.1微透镜准直器
如图1所示,高功率半导体激光器出射光束的发散角大,慢轴方向约为10°,快轴方向则可达40°。另外,它的发光面尺寸大,慢轴方向可达150μm甚至200μm,大于光纤端面尺寸,所以提高光纤耦合效率尤其困难[2]。只有使用非球面透镜将激光光束汇聚到光纤输入端,才能提高耦合效率。德国LIM0公司[3]使用微柱面透镜阵列对线阵半导体激光器(laser bar)进行光纤耦合。其中快轴方向使用一条状平凸柱面透镜,慢轴方向使用一微柱面透镜阵列。如图2所示,其中1为半导体激光器线阵,2为快轴准直器,3为慢轴准直器。准直后的剩余发散角可按下面公式进行计算。
undefined
式中:α为准直后的剩余发散角;d为激光元出射尺寸;NA为孔径光栏直径;somax为微透镜阵列到激光元出射面的最大距离;K为激光束功率下降到中心undefined值的直径所对应的发散角。
1.2激励电源
采用精密大电流可调电流源与限流功率开关组成的激励电源。要求低导通电阻、高响应速度和有防浪涌限流保护。目前,商品化的半导体激光器线阵(激光二极管厘米条)激光元并联连接,均由专用的大电流恒流电源供电。如OPTO POWER公司的40W半导体激光器线阵可用OPC-PS4005电源提供高达50A的电流, 但无法独立驱动。对于能分别驱动的高功率半导体激光器线阵而言,每个激光元功率不到1W,仅需小于2A驱动电流。国外市场有相应的商品电源,如THORLAB公司的LD3000模块,可提供最大为2.5A的恒流电流,具有保护激光器的慢启动功能,和外接电流控制端,线阵的每一个激光元可用一个模块来驱动,但成本较高[4]。
2高功率光纤激光器线阵
高功率光纤激光器线阵采用多个高功率半导体激光器
与多排光纤耦合,再利用准直镜阵列对出射光束进行准直,保证在规定距离的作面上形成激光束线阵。
2.1高功率光纤激光器关键技术
1) 包层泵浦技术
采用双端非对称泵浦作为大功率双包层光纤激光器的泵浦方式[5]。双端非对称泵浦存在最佳光纤长度使输出功率最大。当双端泵浦功率分别为60w和240w时,光纤长度为16m时光纤输出功率最大。另外,腔镜对光纤输出功率也有一定的影响,前端镜对激光信号应该具有很高的反射率,而输出镜的反射率应越小越好。
2) 泵浦耦合技术
采用微型棱镜耦合技术能有效地将半导体激光器泵浦光耦合进双包层光纤[6]。理论计算,此种耦合方法的耦合效率可以达到90%以上。微型棱镜耦合法对光源的光束质量要求较低,一般的大功率半导体激光器阵列经过光束整形都能满足要求。另外,它对光纤本身几乎没有损耗,而且易于加工,是比较理想的双包层光纤耦合技术。
3) 透镜准直阵列
由于准直镜的剩余发散角与前焦距成反比,故透镜的焦距越长,剩余发散角越小。在保证光斑尺寸的情况下,可使工作距离增长,这有利于工件的预热。但焦距越长,准直透镜阵列的节距越宽,减小了光能量密度及加工精度。
3结论
1) 半导体激光器线阵特点:
①工作距离短,工件预热困难;②激光器线阵散热设计困难;③激光器阵列加工及装配精度要求高;④阵列激光元的一致性好;⑤激光元间距、发光面位置精度高。
2) 光纤激光器线阵特点:
①工作距离长,工件预热容易;②多排光纤无需散热;③多排光纤组装相对容易;④光纤耦合工艺复杂;⑤准直微透镜光路调整困难。
摘要：快速成型机的小型化、低成本化是当今快速成型机技术的主要发展方向。现有激光快速成型系统使用的激光光源大都是气体激光器。针对现有激光快速成形系统使用气体激光器存在的缺点,研究使用半导体激光器或光纤激光器的新型能量源来代替气体激光器。提出了使用高功率半导体激光器线阵和高功率光纤激光器线阵两种方案,并比较了利用此两种方案作为激光快速成型系统能量源的优缺点。
关键词：快速成型技术,半导体激光器线阵,光纤激光器线阵,准直阵列
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低功率激光让缺失的组织再生 篇5
激光常被医生用来破坏组织,制造微小的手术切口,清除蜘蛛状血管,以及清除体毛。最近,研究人员证明了低功率的激光可以用来实现相反的目的:让缺失的组织再生。
在一项最新的研究中,研究人员正在利用激光刺激老鼠牙齿内的干细胞,有朝一日,这或许会成为一个简单的治疗方法,替代痛苦的根管疗法。
更重要的是,研究人员表示它还有其他的用途,也许还能刺激伤口愈合和骨头再生。
该研究的第一作者帕尔文·阿让尼(Parveen Arany)表示,低功率激光可以刺激一些生化过程。阿让尼是一名牙医,也是美国国立卫生研究院的研究员,他在哈佛大学维斯研究所的戴维·慕尼(David Mooney)的实验室期间,领导了这项研究。
他表示,之前利用低功率激光进行的研究,不都能取得引人瞩目的疗效。
阿让尼和他的同事们在老鼠的臼齿上钻孔,将牙齿内部包含干细胞的牙髓暴露出来。他们用低功率激光刺激牙齿,然后在牙齿上装上临时的牙套。12个星期后,经过治疗的牙齿产生牙本质(类似骨头的组织,是牙齿的主要成分之一)的能力得到了提升。
通常当牙齿中的牙本质腐烂暴露出牙髓时,就需要进行根管治疗来修补,即挖出牙髓,并用惰性材料替换牙髓,以及外部的牙齿。
而这项研究提高了避免根管疗法的可能性,只要刺激身体自身的干细胞使部分牙齿再生。
不幸的是,和制造牙本质的细胞不同,能使外部牙釉质再生的细胞在童年时代就已经失去了,不过,阿让尼表示他的团队正在研究使牙齿的其他组织再生。
研究人员研究了为什么激光会有这样的功效。他们发现,激光会产生一种名为活性氧簇的化学物质,其能够激活剧本可以刺激生长功能的转化生长因子-β。
研究表明了“如何利用物理形式的能量诱导生物反应”,不过,转化生长因子-β也有可能对组织造成损害,所以必须找到能引起有益反应的合适的剂量,这也解释了为什么之前的结果有好有坏。
科学家们研究了几种不同的诱导干细胞,以分化出特定组织的细胞,从而替代组织,或者让组织再生,这一过程往往涉及获取和操控细胞,并且把它们暴露在能促进分化的分子中。
然而,用激光来刺激细胞,让它们自己产生这样的分子,再分化成特定的组织,这一过程会容易得多,同时其所面临的政策监管障碍也少得多。
阿让尼表示,由于转化生长因子-β可以促进生长和分化,激光也可以被运用在其他地方。
“这是一个非侵害性的技术,这正是其吸引人的地方”,伊利诺伊大学芝加哥牙医分校的牙齿再生研究员安妮·乔治(AnneGeorge)表示。“这种技术很容易进行临床试验。”
阿让尼表示,他的团队正计划在人类身上测试这种疗法。
低能量激光 篇6
为适应未来战争的需要,世界各军事大国都竞相开展研制激光寻的制导武器。现行以外场试验为主的鉴定手段,均不同程度遇到了试验用弹量与经费、鉴定结论置信度相互制约等问题。如何研究和评价激光半主动制导武器的性能和作战效能也是一个很重要的课题。半实物仿真系统构筑丰富的物理信号试验环境和各种边界条件来检测被试装备的参数和性能,集合运用了数学模型和物理模型的优点,可以对随机变量和无法预测的作战环境的进行评估,这种方法既克服了计算机仿真低可信度的缺点,也克服了实弹打靶试验的风险和代价昂贵的缺点。在激光半主动制导武器目标半实物仿真系统中,激光能量模拟是系统重要模拟内容之一,因为光斑能量在远距离时,将影响制导武器的探测概率,这是导引头能否正常工作的前提;在中近距离,接收信噪比将影响视轴的跟踪精度。激光能量模拟主要考虑能量模拟范围、能量变化速率和能量控制精度。由于激光制导武器与目标距离的不同、导引头视轴与目标角度的变化、大气散射衰减以及大气湍流闪烁影响、目标平均反射率的差异等因素,都将导致到达导引头入瞳处的能量密度呈现较大的变化,波长越短,大气散射引起的衰减越大;能见度越低,大气散射引起的衰减越严重。如图1为不同能见度(20 km、8 km、2 km)下接收能量随距离变化的仿真结果。
图中可见,导弹在相同距离且不同能见度情况下,接收的入瞳能量密度不同,能见度越高接收能量也就越大。以Rv=2 km为例由于附加大气散射衰减,所以系统需要宽范围,动态范围接近50 d B;激光制导武器在全程飞行过程中,到达探测器的激光能量随着距离的接近非线性连续递增,当导引头距离目标较远时,能量密度变化率不快,但是到近距离处能量密度变化率很快,所以需要较快能量调节能力;对于激光目标模拟系统,还需要较高的控制精度,能量密度控制精度受到激光光源稳定度,能量变化单元线性等因素综合制约。
1 激光连续调光方案选择
1.1 常用的连续调光实现方法
机械式调节光阑法:该方法就是通过可变光阑方式,实现对光束的空间衰减,此方法的特点是体积小、速率较快、功耗小、技术相对比较成熟,但是缺点为动态范围小、线性度不好,不易实现级联工作,不适合本模拟系统应用;
光电技术调光法:光电调光包括法拉第旋光、电光晶体调光和液晶调光,这三种方法所具有的共同特点是:动态范围较小,需要级联工作,调光非线性严重,需要闭环补偿以提高精度,该方式不适合大范围、高精度调光;
采用吸收式渐变衰减片实现连续调光:吸收式渐变衰减可实现大范围、连续调光,通过控制旋转角度可实现光能的连续变化,该方法原理简单,但是在大动态范围条件下,其衰减的线性度对于镀膜要求较高,往往需要多级级联,而多级衰减片级联存在多次反射,容易产生散斑,另外光束宽影响光功率分布不均匀,不适合本模拟系统应用。
晶体吸收法特点:光强调节范围宽:因为光功率衰减与材料的厚度成指数递减规律,所以通过合理选择材料的系数和材料厚度差,可实现宽范围的光强调节,而且不过分增加系统的体积和重量;无级连续调节:通过精密控制轴向的连续运动,可实现光强的连续调节(单调递减或递增),不出现突变;调节线性好:光强的调节精度一方面取决于材料的均匀性,另一方面取决于丝杠的控制精度。只要这两方面选取合理,光强调节线性较好。故本文选用此方法进行激光能量调节。
1.2 实验室大气衰减
光在大气中传输基本定理是Bouguer-Lambert定理,单色光在大气中的透射率有如下关系:
式中:γ(λ)是波长为λ单色光的衰减系数,L为光程长度,I(λ)为经过光程L后的光强,I0(λ)为初始光强。衰减系数可用下式表示
式中:σ是散射系数,k是吸收系数,m表示分子,a表示气溶胶。
根据文献[6]的表16-5并且假设晴朗天气、能见度为23 km、中纬度夏季的近地面,则1 064 nm激光衰减系数为:γ(1064nm)=10-6+.820×10-4+1.08×10-2+.783×10-2,进而可得到透射率τ1(064nm)。
1.3 衰减器原理
衰减器由两个楔角严格相同的大小棱镜构成,激光光束准直垂直穿过大小棱镜,相当于通过一个平板光学单元,所以它不改变光束的方向。如果选择特殊的光学材料,使其对1.06μm激光在单位长度内产生一定的衰减,如果大棱镜沿轴向连续、精密运动,则激光束的光程产生连续变化。根据朗伯定律:光束穿过厚度为L的物质后光强I满足下式:
式中:I0为穿过物质前的光强,α为吸光系数,与材料的选择有关。可见光强随着通过物质的光程L成指数关系变化。激光光束能量的衰减倍数取决于光束经过的晶体长度。改变光束穿过物质的厚度,使其对激光的功率产生不同的吸收衰减,进而可连续改变出射光强,有效的在实验室环境模拟战场环境中激光能量密度变化。
大小直角棱镜材料:AB2。能量连续调节原理如图2所示。装置由固定台1、小直角棱镜2、大直角棱镜3、平移台4、步进电机5、光栅尺6、控制系统7组成。1 064 nm激光束经过光纤耦合垂直入射到补偿小棱镜,该小棱镜固定不动,其安装方向与大棱镜径向相反,保持小棱镜与大棱镜斜边在同一直线上,因为与大棱镜楔角一致,所以保证整个光束直径内通过的路径长度一致,保证了对光束衰减的空间一致性。
激光能量连续调节还要注意光束需要准直垂直入射到晶体,因为光束不准直导致光程不同,从而影响能量调节精度;两个晶体需要有四个面镀增透膜,防止光反射引起的损失;因为光功率衰减与材料的厚度成指数递减规律,所以通过合理选择材料的系数和材料厚度差,而且不过分增加系统的体积和重量,较小的晶体厚度可实现较大的调节范围;能量控制范围与棱镜的长度相关,棱镜越长范围越大;通过精密控制轴向的连续运动,可实现光强的连续调节(单调递减或递增),不出现突变;光强的调节精度一方面取决于材料的均匀性,另一方面取决于丝杠的运动控制精度。只要这两方面选取合理,光强调节线性较好,所以步进电机采取细分和光栅尺闭环处理,也是为了消除电机失步和抖动。同时必须最大限度的提高各分系统的稳定性,将随机误差控制在最低范围内。
2 激光能量连续衰减电控单元的实现
能量衰减器的硬件组成如图3,激光能量连续衰减电控框图如图4所示。首先从总控单元获取导引头运动参数(距离、速度、方向等信息)和环境参数(能见度、目标反射率、大气湍流参数等),进而解算出导引头所处的能量密度,解算出位移平台所需速度和位移。通过步进电机细分驱动,驱动精密丝杠,带动大棱镜进行水平移动,水平位移每移动1 mm,衰减率变化0.55 d B,而小棱镜固定基台上。细分驱动的步进电机可控制平移的位置和速度,这样能量衰减的定量控制就取决于横向平移的控制精度。采用闭环控制方式,用光栅尺修正位移从而得到要求的光强。系统使用了2块ATMEGA16作为核心控制器,这样既扩展了资源又实现了两块芯片的程序并行执行,保证了电机的控制与光栅反馈信号检测同时进行。该系统工作时,上位机发出位移、方向、初速度信号给精密一维位移平台控制器,通过ATMEGA16 U1来控制位移平台作直线变速往返运动。U1发出起动命令,电机转动后光栅尺产生的位置脉冲信号传送回控制箱内的ATMEGA16 U2,把此位置信号和上位机给出的信号值比较,经判别分析,控制器发出后续换相脉冲,构成闭环系统,减小伺服机构的各种干扰,提高光能控制精度。
3 实验数据与处理
采用了波长为1 064 nm YAG激光器在无遮挡的条件下进行了试验,位移平台速度:2 mm/s,共测试了两组数据,以下是部分数据处理结果。
由实验数据看出闭环工作状态下基本实现了预期,平台水平移动1 mm,能量变化0.55 d B。由图5、图6可知随着平台的移动,接收光斑能量也同时改变,开始时衰减较大,随着位移增加衰减逐渐变缓慢。从总控获得状态信息,即可计算出位移平台所需速度和加速度。
4 结论
本文设计的能量衰减器稳定性高,可靠性高,成本低。若大棱镜全程长100 mm可衰减55 d B,故能实现宽范围能量连续调节;位移平台最高速度40 mm/s,所以能量变化速率最高可达22d B/s,实现高动态;通过改善位移平台控制精度并使棱镜材料均匀,优化选取棱镜长度、材料、位移平台和光栅尺,即可提高光强调节精度,并根据实际环境需要更改位移平台和控制器,适用于模拟多种制导情况的能量变化。
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低能量激光 篇7
1 资料与方法
1.1 一般资料
所有病例均来自2010年1月至2013年5月期间在沧州眼科医院门诊就诊弱视儿童75例(133眼)。其中双眼患儿58例、单眼患儿17例。男患儿36例,女患儿39例。年龄3~12岁,平均年龄6.9岁。轻度、中度、重度弱视分别为60眼、57眼、16眼。屈光不正性弱视66眼,屈光参差性弱视41眼,斜视性弱视26眼。中心注视97眼,旁中心注视36眼。
1.2 方法
治疗前,患儿行常规远近视力检查及眼位检查,详细检查患眼屈光介质、眼底及其注视性质,排除患儿眼部存在器质性病变。利用电脑中固定软件程序,对患儿同时视功能、融合功能、立体视功能及对比敏感度等进行检查,将以上检查结果输入治疗系统。建立患儿档案。
氦氖激光治疗仪(陕西华亚眼科医疗保健有限公司生产HN-771型)对患儿进行治疗。患儿仰卧,弱视眼注视照射光源,医护人员手持激光头,距角膜面正上方5~10cm垂直照射患儿患眼黄斑部,照射功率为1m V,照射时间为3 min/次,每天照射1次,连续使用20d为1疗程。如果在医院接受多媒体视觉训练,在氦氖激光照射后,患儿需休息30 min后再行视觉训练治疗。根据患儿弱视程度、注视性质及矫正视力等情况,制定适合患儿本人多媒体视觉训练治疗方案。其中包括刺激训练、精细训练、融合训练、同时视训练及立体视训练等。如果患儿矫正视力在0.4以下,一般只进行刺激训练和精细训练;如矫正视力提高至0.4以上,而且相差不超过2行,可以加上同时视训练;如矫正视力在0.6以上,则加上融合训练及立体视训练。外斜视有融合功能患儿做辐辏训练,内斜视患儿做分开训练。以上每项训练时间为5~15min,治疗完成后休息5min再进行下一项训练。每天训练1次,治疗时间约30min~40min。在治疗过程中,可根据患儿视力调整治疗时间,这种多媒体所有训练项目均在电脑上进行,患儿及家长可根据实际情况,选择到医院弱视治疗室训练或家里用电脑上网训练。医生在网上可以实时查询治疗方案及训练次数,并进行指导或提示。
1.3 疗效判定标准
1疗程结束后按1996年全国儿童弱视斜视防治学组制定标准执行[1]检测治疗前后矫正视力。
2 结果
75例(133眼)总有效率为91.7%,基本治愈84眼占63.2%,进步38眼占28.6%,无效11眼占8.2%。其中不同年龄、类型、程度、注视性质弱视疗效各不相同。
2.1 弱视年龄与疗效
9~12岁组有效率77.8%,低于3~5岁组的97.8%与6~8岁组的96.2%,差异均有统计学意义,P<0.05,3~5岁组与6~8岁组差异无统计学意义。
2.2 弱视程度与疗效
轻度弱视组有效率为98.3%,中度弱视组有效率为93.0%,重度弱视组有效率为62.5%,轻度弱视组与中度弱视组差异无统计学意义,P>0.05,重度弱视组有效率显著低于轻中度组,差异均有统计学意义,P<0.05。
2.3 弱视类型与疗效
屈光不正性弱视组有效率为98.5%,屈光参差性弱视组有效率为85.4%,斜视性弱视组有效率为84.6%,屈光不正性弱视组与屈光参差性弱视组和斜视性弱视组有效率相比,差异均有统计学意义,P<0.05。
2.4 注视性质与疗效
中心注视组有效率为95.9%,旁中心注视组有效率为80.6%,两组相比差异有统计学意义,P<0.05。
3 讨论
目前认可最有效弱视治疗方法包括光学矫正、遮盖治疗、CAM疗法、后像法、压抑疗法等[3]。氦氖激光是波长为632.8nm红色可见光,被组织吸收后能促进其生长与修复。利用氦氖激光治疗弱视机理,是利用小功率氦氖激光照射黄斑部,促进黄斑部血液循环,提高弱视眼黄斑中心凹视锥细胞功能[4]。因为氦氖激光能量小时起刺激作用,多次小剂量照射可以起到生物刺激累积效应,相当于一次大剂量照射所引起生物效应。因此,选择氦氖激光照射功率为1m V,照射时间为3 min/次,每天照射1次。同时,考虑到氦氖激光生物刺激作用呈抛物线特征,随着刺激次数增加反应强度有一峰值,再增加刺激次数反应强度则明显下降,故一个疗程不宜超过20d,重复治疗要间隔半年以上[5]。
弱视传统治疗方法治疗时间较长,尤其遮盖疗法较为单调、缺乏趣味性,因此大多患儿依从性较差,随着治疗时间延长,往往不能坚持导致半途而废,最终影响治疗效果。多媒体视觉训练系统应用多媒体技术手段,将色彩、形状、卡通、动画、游戏等元素添加到眼科强化训练过程中,满足了儿童好奇心,提高了患儿治疗依从性,因此保证了治疗效果[6,7]。
本研究资料统计数据可见其特点表现为患儿年龄越小,治疗效果越好,弱视程度越轻,治疗效果越好,在不同类型弱视中,屈光不正性弱视治疗效果最好,中心注视弱视较旁中心注视弱视效果好。学龄前儿童视功能处于敏感期阶段,治疗效果最好,弱视程度越轻,中枢抑制程度越轻,屈光不正性弱视多为双侧性,一般不引起起脑中枢性抑制,故治愈率较高,中心凹注视弱视,黄斑功能较好,所以治疗效果较旁中心注视弱视好。
使用低功率氦氖激光治疗,由于一个疗程时间短,治疗期间患儿视力上升比较明显,从而大大提高患儿和家长依从性,取得了较好临床效果。但弱视治疗不是短时间之内就可以完成,对这些儿童进行长时间随访是很有必要。
参考文献
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