二氧化碳激光治疗机的功率预置方法＊

张绍敏

(广州市激光技术应用研究所有限公司，广东 广州 510115)

0 引言

近年来，在我国城乡医院中，激光治疗机已成为医学临床治疗中不可缺少的医疗器械之一，二氧化碳激光治疗机是激光医疗器械的杰出代表，它是目前转换功率高、应用最广泛、性价比最高、操作和维护都比较简便的一种常用激光治疗机。

二氧化碳激光治疗机是利用二氧化碳激光管发射出波长10.6 μm的激光束，对人体病灶组织进行切割、烧灼、汽化、凝固和照射治疗。其常用的二氧化碳激光治疗机激光器终端输出功率范围为0.1 W到小于等于30 W。激光功率的计量表示了激光束能量在时间上的分布特性，利用二氧化碳激光治疗机进行生物学或医学临床的应用，主要是利用生物组织对激光能量的吸收作用。因此，应用前应了解诸如波长、模式、功率计量的设置等激光参数就显的尤为重要。

随着二氧化碳激光治疗机在医学临床应用领域的不断提高，临床医生对激光功率输出值的标定提出了更高的要求。而影响其标定的主要因素是参考功率驱动电压值的预置保存，实际测量值用功率计测量得到，实际测量值与预置保存标称值的偏差应小于国家标准GB11748-2005＜＜二氧化碳激光治疗机＞＞。本文介绍了采用8bit数模转换技术，对二氧化碳激光治疗机的输出功率进行预置，设置方法简便可行。实际测量值与标称值的偏差小于±20%。

1 二氧化碳激光器气体放电的形成及特点

当CO2激光器受外施高压电场的作用时，气体原子或分子获得一定能量，气体转入良好的导电状态，即气体发生击穿，此时，气体形成辉光放电。气体放电时，一部分高速电子直接碰撞CO2分子，使其由基态跃迁至激发态上，另一部分高速电子与N2分子碰撞，使其由基态激发至高能态上。由于N2分子的激发态与CO2分子的能级非常接近，很容易通过共振能量转移过程，将基态CO2分子激励至激发态能级上，于是，通过上述两种过程，能有效地实现CO2分子在激发态能级上的粒子数积累，一旦实现上、下能级之间的粒子数反转，即可通过受激辐射产生 10.6 μm 波长的激光。

1.1 CO2激光器的输出特性

CO2激光器在工作时，影响其输出功率的主要因素是它的放电特性和温度效应。

(1)放电特性:CO2气体激光器的放电电流对激光器输出功率有很大的影响。CO2激光器的输出功率和放电电流有关。实验测得的输出功率与放电电流的关系曲线如图1所示。可以看出，输出功率对于放电电流不是一个线性的比例关系，存在一个在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流，即最佳放电电流。在最佳放电电流附近，因放电电流变化引起的输出功率的变化不大，因此，在实际使用时，对最佳放电电流的要求并不十分严格，这对工作状态的调整很有利。

(2)温度效应:CO2激光器的能量转换效率是5-10%，这就是说，将有90%以上的能量转换为气体的热能，使温度升高，而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这些都会使粒子的反转数减小。并且，气体温度的升高还会造成CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。这些因素都会使激光器的输出功率下降。因此，水冷却器装置是CO2激光器正常运转的必需设备。

图1 二氧化碳激光器输出功率与放电电流关系曲线Fig.1 The curve of output power and discharge current of CO2laser

2 二氧化碳激光治疗机系统工作状态转换图

图2 二氧化碳激光系统工作状态转换图Fig.2 The state transition diagram of CO2laser system

3 CO2激光器功率控制模块

在二氧化碳激光器的泵浦出光过程中，要对激光器进行升压、击穿、辉光放电等工作，这些过程都需要直流高压(启辉电压到达22-24 kV，工作电压达到 1.5-1.6 kV)、毫安级电流(工作电流 10-30 mA)与激光器发生相互作用，前面已经提出CO2激光器的输出功率与放电电流的关系曲线，而且每个激光器都有自己的最佳放电电流。因此作为激励CO2激光器的直流高压，可通过专用CO2激光器电源来实现上述一系列升压、击穿、放电的过程。根据激光电源提供的接口要求，控制系统提供给激光电源一个0-5 V的模拟电压信号或一个PWM脉冲宽度调制信号，就可以调节输出工作电流的范围，从而达到控制激光输出功率的目的。由单片机控制CO2激光治疗机的工作过程，能很好地解决控制问题，具有抗干扰能力强，适应温度范围宽、在各种常温条件下都能可靠地工作，从而获得最佳性价比。

由单片机提供的参考预置电压值就有对应输出的激光功率值。对于DAC的转换速度及精度要求，可采用传统的电压型8bit DAC芯片。其控制原理如图3所示。

图3 二氧化碳激光器输出功率控制电路Fig.3 the control circuit of CO2laser output power

Channe3为该8bit DAC数字输入，即参考预置功率电压值。(预置功率的设置由具有计量合格证书的标准功率计测量标定)，Analog Power为驱动功率电压值。

4 终端输出功率显示值的获得

二氧化碳激光治疗机终端输出功率显示标称值的设定。可以通过中国计量科学院计量认证机构标定，且出具合格证书的激光功率计进行设定。具体使用NOVA Handheld Display OPHIR FL300A-LP型激光功率计，经过实际测量，每台CO2激光治疗机在使用时，终端额定输出功率实测值(取上偏差)≤30W，在用功率计测量每点实际终端输出功率值之前，依据以往的实验数据，把参考功率驱动电压值与对应的预置功率显示值的默认值保存在ROM中。然后用功率计将逐点测得的实际功率值，重新标定预存默认功率显示值与对应的参考功率驱动电压值，并确认后保存在ROM中，此时每点的功率显示值与实际终端输出功率值相一致，以便于临床医生使用。总共有43个预置功率显示点，由于激光输出功率值与放电电流值不是线性函数关系，必须逐点测量，每相邻两点间的步进分三档，0-1 W档，每次步进0.2 W;1-10 W档，每次步进为0.5 W;10-30 W档，每次步进1W。每点测得的实际功率输出值，均符合国家标准GB11748－2005《二氧化碳激光治疗机》规定的允差不超过±20%，可以完全满足临床医生的应用。

5 结论

本文讨论了采用单片机技术，数模转换器，PWM脉宽调制技术等相关技术，对二氧化碳激光治疗机的功率显示终端输出值，进行了功率预置标定，使实际测量输出值与预置保存标称值的偏差，符合国家标准容许偏差要求。同时，经反复测试产品在整机运行的稳定性、可靠性、功率不稳定度 St、能量复现性Rp、终端发散角和焦(光)斑直径等各方面，均符合二氧化碳激光治疗机的设计要求，具有良好的医疗应用及市场前景。

［1］陈家壁，彭润玲.《激光原理及应用》［M］.北京:电子工业出版社，2013，109-111.CHEN Jiabi，PENG Runling.The principle and application of the laser［M］.Beijing:Electronic Industry Press，2013，109-111.

［2］刘晶儒，易爱平，胡志云，等。《准分子激光技术及应用》［M］.北京:国防工业出版社，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，周记海，纪爱华。《高频开关电源设计与应用实例》［M］.北京:人民邮电出版社，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，林喜荣，洪志伟，等.放电管径和放电气压对CO2激光器功率的影响［J］.光电子技术，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，王绍民，等.新光束二氧化碳激光器［J］。应用激光，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激光器五种混合气体压强优化［J］.强激光与粒子束》，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，赵世英，等.等效M2＜1的内腔式CO2激光器［J］.应用激光，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，马养武.具有最大输出功率的CO2激光器谐振腔［J］.激光技术，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，牛振亚.千瓦级轴流CO2激光器设计参数的研究［J］.光学.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.