二氧化碳激光治療機的功率預置方法＊

張紹敏

(廣州市激光技術應用研究所有限公司，廣東 廣州 510115)

0 引言

近年來，在我國城鄉醫院中，激光治療機已成為醫學臨床治療中不可缺少的醫療器械之一，二氧化碳激光治療機是激光醫療器械的杰出代表，它是目前轉換功率高、應用最廣泛、性價比最高、操作和維護都比較簡便的一種常用激光治療機。

二氧化碳激光治療機是利用二氧化碳激光管發射出波長10.6 μm的激光束，對人體病灶組織進行切割、燒灼、汽化、凝固和照射治療。其常用的二氧化碳激光治療機激光器終端輸出功率范圍為0.1 W到小于等于30 W。激光功率的計量表示了激光束能量在時間上的分布特性，利用二氧化碳激光治療機進行生物學或醫學臨床的應用，主要是利用生物組織對激光能量的吸收作用。因此，應用前應了解諸如波長、模式、功率計量的設置等激光參數就顯的尤為重要。

隨著二氧化碳激光治療機在醫學臨床應用領域的不斷提高，臨床醫生對激光功率輸出值的標定提出了更高的要求。而影響其標定的主要因素是參考功率驅動電壓值的預置保存，實際測量值用功率計測量得到，實際測量值與預置保存標稱值的偏差應小于國家標準GB11748-2005＜＜二氧化碳激光治療機＞＞。本文介紹了采用8bit數模轉換技術，對二氧化碳激光治療機的輸出功率進行預置，設置方法簡便可行。實際測量值與標稱值的偏差小于±20%。

1 二氧化碳激光器氣體放電的形成及特點

當CO2激光器受外施高壓電場的作用時，氣體原子或分子獲得一定能量，氣體轉入良好的導電狀態，即氣體發生擊穿，此時，氣體形成輝光放電。氣體放電時，一部分高速電子直接碰撞CO2分子，使其由基態躍遷至激發態上，另一部分高速電子與N2分子碰撞，使其由基態激發至高能態上。由于N2分子的激發態與CO2分子的能級非常接近，很容易通過共振能量轉移過程，將基態CO2分子激勵至激發態能級上，于是，通過上述兩種過程，能有效地實現CO2分子在激發態能級上的粒子數積累，一旦實現上、下能級之間的粒子數反轉，即可通過受激輻射產生 10.6 μm 波長的激光。

1.1 CO2激光器的輸出特性

CO2激光器在工作時，影響其輸出功率的主要因素是它的放電特性和溫度效應。

(1)放電特性:CO2氣體激光器的放電電流對激光器輸出功率有很大的影響。CO2激光器的輸出功率和放電電流有關。實驗測得的輸出功率與放電電流的關系曲線如圖1所示。可以看出，輸出功率對于放電電流不是一個線性的比例關系，存在一個在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電流，即最佳放電電流。在最佳放電電流附近，因放電電流變化引起的輸出功率的變化不大，因此，在實際使用時，對最佳放電電流的要求并不十分嚴格，這對工作狀態的調整很有利。

(2)溫度效應:CO2激光器的能量轉換效率是5-10%，這就是說，將有90%以上的能量轉換為氣體的熱能，使溫度升高，而氣體溫度的升高，將引起激光上能級的消激發和激光下能級的熱激發，這些都會使粒子的反轉數減小。并且，氣體溫度的升高還會造成CO2分子的分解，降低放電管內的CO2分子濃度。這些因素都會使激光器的輸出功率下降。因此，水冷卻器裝置是CO2激光器正常運轉的必需設備。

圖1 二氧化碳激光器輸出功率與放電電流關系曲線Fig.1 The curve of output power and discharge current of CO2laser

2 二氧化碳激光治療機系統工作狀態轉換圖

圖2 二氧化碳激光系統工作狀態轉換圖Fig.2 The state transition diagram of CO2laser system

3 CO2激光器功率控制模塊

在二氧化碳激光器的泵浦出光過程中，要對激光器進行升壓、擊穿、輝光放電等工作，這些過程都需要直流高壓(啟輝電壓到達22-24 kV，工作電壓達到 1.5-1.6 kV)、毫安級電流(工作電流 10-30 mA)與激光器發生相互作用，前面已經提出CO2激光器的輸出功率與放電電流的關系曲線，而且每個激光器都有自己的最佳放電電流。因此作為激勵CO2激光器的直流高壓，可通過專用CO2激光器電源來實現上述一系列升壓、擊穿、放電的過程。根據激光電源提供的接口要求，控制系統提供給激光電源一個0-5 V的模擬電壓信號或一個PWM脈沖寬度調制信號，就可以調節輸出工作電流的范圍，從而達到控制激光輸出功率的目的。由單片機控制CO2激光治療機的工作過程，能很好地解決控制問題，具有抗干擾能力強，適應溫度范圍寬、在各種常溫條件下都能可靠地工作，從而獲得最佳性價比。

由單片機提供的參考預置電壓值就有對應輸出的激光功率值。對于DAC的轉換速度及精度要求，可采用傳統的電壓型8bit DAC芯片。其控制原理如圖3所示。

圖3 二氧化碳激光器輸出功率控制電路Fig.3 the control circuit of CO2laser output power

Channe3為該8bit DAC數字輸入，即參考預置功率電壓值。(預置功率的設置由具有計量合格證書的標準功率計測量標定)，Analog Power為驅動功率電壓值。

4 終端輸出功率顯示值的獲得

二氧化碳激光治療機終端輸出功率顯示標稱值的設定。可以通過中國計量科學院計量認證機構標定，且出具合格證書的激光功率計進行設定。具體使用NOVA Handheld Display OPHIR FL300A-LP型激光功率計，經過實際測量，每臺CO2激光治療機在使用時，終端額定輸出功率實測值(取上偏差)≤30W，在用功率計測量每點實際終端輸出功率值之前，依據以往的實驗數據，把參考功率驅動電壓值與對應的預置功率顯示值的默認值保存在ROM中。然后用功率計將逐點測得的實際功率值，重新標定預存默認功率顯示值與對應的參考功率驅動電壓值，并確認后保存在ROM中，此時每點的功率顯示值與實際終端輸出功率值相一致，以便于臨床醫生使用。總共有43個預置功率顯示點，由于激光輸出功率值與放電電流值不是線性函數關系，必須逐點測量，每相鄰兩點間的步進分三檔，0-1 W檔，每次步進0.2 W;1-10 W檔，每次步進為0.5 W;10-30 W檔，每次步進1W。每點測得的實際功率輸出值，均符合國家標準GB11748－2005《二氧化碳激光治療機》規定的允差不超過±20%，可以完全滿足臨床醫生的應用。

5 結論

本文討論了采用單片機技術，數模轉換器，PWM脈寬調制技術等相關技術，對二氧化碳激光治療機的功率顯示終端輸出值，進行了功率預置標定，使實際測量輸出值與預置保存標稱值的偏差，符合國家標準容許偏差要求。同時，經反復測試產品在整機運行的穩定性、可靠性、功率不穩定度 St、能量復現性Rp、終端發散角和焦(光)斑直徑等各方面，均符合二氧化碳激光治療機的設計要求，具有良好的醫療應用及市場前景。

［1］陳家壁，彭潤玲.《激光原理及應用》［M］.北京:電子工業出版社，2013，109-111.CHEN Jiabi，PENG Runling.The principle and application of the laser［M］.Beijing:Electronic Industry Press，2013，109-111.

［2］劉晶儒，易愛平，胡志云，等。《準分子激光技術及應用》［M］.北京:國防工業出版社，2009，13-19.LIU Jingru，YI Aiping，HU Zhiyun，et al.Excimer laser technology and application［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2009，13-19.

［3］周志敏，周記海，紀愛華。《高頻開關電源設計與應用實例》［M］.北京:人民郵電出版社，2008，13-15，109-123.ZHOU Zhimin，ZHOU Jihai，JI Aihua.Power supply design of high frequency switching and its application examples［M］.Beijing，People’s Posts and Telecommunications Press，2008，13-15，109-123.

［4］石知峰，林喜榮，洪志偉，等.放電管徑和放電氣壓對CO2激光器功率的影響［J］.光電子技術，2013，103-106.SHI Zhifeng，LIN Xirong，HONG Zhiwei，et al.Research of discharge tube diameter and discharge pressure on fast-axial-flow CO2lasers［J］.Optoelectronic Technology，2013，103-106.

［5］潘承志，于世彭，王紹民，等.新光束二氧化碳激光器［J］。應用激光，1995，15(1)，1.PEN Chengzhi，YU Shipeng，WANG Shaomin，et al.A new beam CO2laser［J］.Applied Laser，1995，15(1)，1.

［6］程成.CO2激光器五種混合氣體壓強優化［J］.強激光與粒子束》，2002，14(1)，50-52.CHENG Cheng.Optimization of five gas admixtures in a CO2laser［J］.High Power Laser and Particle Beams，2002，14(1)，50-52.

［7］潘承志，于世彭，趙世英，等.等效M2＜1的內腔式CO2激光器［J］.應用激光，1995，15(3)103-104.PAN Chengzhi，YU Shipeng，ZHAO Shiying，et al.Infracavity CO2Laser with equivalent M2 ＜ 1［J］.Applied Laser，1995，1995，15(3)103-104.

［8］程成，馬養武.具有最大輸出功率的CO2激光器諧振腔［J］.激光技術，2002，26(5)，346-349.CHENG Cheng，MA Yangwu.Investigation of CO2laser resonator with maximum output power［J］.Laser Technology，2002，26(5)，346-349.

［9］周杰，牛振亞.千瓦級軸流CO2激光器設計參數的研究［J］.光學.精密工程，1992(3)1-16.ZHOU Jie，NIU Zhenya.The study on design parmeters for 1 kW fast axial flow CO2laser［J］.Optical and Precision Engineering，1992(3)1-16.