具有皮膚冷卻功能的高功率vcsel激光治療裝置制造方法

專利名稱:具有皮膚冷卻功能的高功率vcsel激光治療裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種具有皮膚冷卻功能的高功率VCSEL激光治療裝置，包括封裝在激光器熱沉上的VCSEL陣列、設置在VCSEL陣列出光面前方的光學傳輸器件、以及貼靠在光學傳輸器件出光口端的高導熱光學窗口片，在激光器熱沉、光學傳輸器件和高導熱光學窗口片的外側設置有一體成型的冷卻傳導金屬件，并且，在冷卻傳導金屬件和激光器熱沉之間設置有一片或多片半導體制冷片，半導體制冷片的熱端與激光器熱沉接觸，半導體制冷片的冷端與冷卻傳導金屬件接觸。在上述高功率VCSEL半導體激光治療裝置中，半導體制冷片和VCSEL陣列的熱沉公用，簡化了其內部結構。因此，該激光治療裝置具有結構簡單、易于制造、可靠性高等諸多優點，在激光醫療領域具有廣闊的應用前景。
【專利說明】具有皮膚冷卻功能的高功率VCSEL激光治療裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種具有皮膚冷卻功能的高功率半導體激光治療裝置，尤其涉及一種以垂直腔面發射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，簡稱 VCSEL)作為光源的具有皮膚冷卻功能的高功率半導體激光治療裝置，屬于激光治療器械。

【背景技術】
[0002]在過去的二十年間，高功率半導體激光器被廣泛地應用于皮膚外科與激光美容外科等領域，比如脫毛、嫩膚、祛皺、色素治療、物理療法等。在絕大多數的治療場合，一方面需要給皮膚注入足夠大的激光能量，另一方面還要防止高功率激光對皮膚的灼傷，因而絕大多數激光治療裝置需要配合皮膚冷卻裝置來使用。
[0003]在傳統高功率半導體激光器中，使用半導體制冷片和高導熱光學窗口片構成的接觸式皮膚冷卻裝置，是一種常用的設計結構。例如中國專利ZL201220625361.1和ZL201320713701.0中公開的半導體激光器結構。其中，在常用的高導熱光學窗口片中，尤以藍寶石接觸窗口的應用最為廣泛。使用藍寶石作為皮膚治療裝置的接觸窗口，最早的歷史可以追溯到上世紀90年代，詳細結構可以參見美國專利文本US6273885B1中的記載。
[0004]傳統的高功率半導體激光器，使用邊發射半導體激光器陣列作為激光光源。邊發射半導體激光器陣列是一種疊層式結構，具有獨立而復雜的激光器熱沉結構，因而不能與半導體制冷片的熱沉公用，這樣就使得皮膚冷卻結構和激光器結構需要分別設計獨立的冷卻熱沉和通水結構，治療裝置的結構因此變得非常復雜。例如中國專利ZL201220625361.1中公開的雙側制冷型醫療美容用半導體激光器系統，包括兩個通水塊，其中，第一通水塊用于對接觸窗進行傳導冷卻，第二通水塊用于對半導體激光器陣列進行傳導冷卻，這種雙通水塊的結構導致半導體激光器的內部結構復雜、激光治療頭體積較大，在皮膚治療時常常會影響操作者的視野，增加手術難度。因此，如果可以設計出體積小巧、操作方便的激光治療手柄，將會極大地減少激光手術時的操作難度。
[0005]近年來，隨著垂直腔面發射激光器(Vertical-CavitySurface-Emitting Laser,簡稱VCSEL)的制造技術逐漸成熟，VCSEL逐漸實現了接近于邊發射半導體激光器的高功率輸出。同時由于其獨特的結構，其應用中存在的諸多優點，如高可靠性、耐高溫、光學分布均勻、表面高反射率(抗高反)、波長溫漂小等等。在激光醫療領域，垂直腔面發射激光器必將逐漸取代傳統邊發射半導體激光器成為未來主要的激光治療設備。


【發明內容】

[0006]本實用新型所要解決的技術問題在于提供一種具有皮膚冷卻功能的高功率VCSEL激光治療裝置。
[0007]為了實現上述目的，本實用新型采用了下述技術方案:
[0008]一種具有皮膚冷卻功能的高功率VCSEL激光治療裝置，包括激光器熱沉、封裝在所述激光器熱沉上的VCSEL陣列、設置在所述VCSEL陣列出光面前方的光學傳輸器件、以及設置在所述光學傳輸器件出光口端的高導熱光學窗口片，
[0009]在所述激光器熱沉、所述光學傳輸器件和所述高導熱光學窗口片的外側設置有一體的冷卻傳導金屬件，并且，在所述冷卻傳導金屬件和所述激光器熱沉之間設置有一片或多片半導體制冷片，所述半導體制冷片的熱端與所述激光器熱沉接觸，所述半導體制冷片的冷端與所述冷卻傳導金屬件接觸。
[0010]其中較優地，所述冷卻傳導金屬件包裹于所述高導熱光學窗口片、所述光學傳輸器件和所述激光器熱沉的外部；
[0011]所述高導熱光學窗口片嵌裝于所述冷卻傳導金屬件前端的開口中；所述光學傳輸器件設置在所述冷卻傳導金屬件前部的空腔中；所述激光器熱沉設置在所述冷卻傳導金屬件后部的空腔中，一片或多片所述半導體制冷片設置在所述激光器熱沉和所述冷卻傳導金屬件之間的縫隙中。
[0012]其中較優地，所述光學傳輸器件通過支撐件設置在所述冷卻傳導金屬件前部的空腔中，在所述光學傳輸器件和所述支撐件的接觸縫隙處，以及所述支撐件和所述激光器熱沉的接觸縫隙處，使用密封膠進行密封固定。
[0013]其中較優地，所述光學傳輸器件通過固定件設置在所述激光器熱沉和所述VCSEL陣列的前方。
[0014]其中較優地，所述光學傳輸器件是內壁拋光的反射鏡筒或者基于內壁全反射的導光錐。
[0015]其中較優地，所述激光器熱沉的封裝面的截面是一個圓的部分外切多邊形，所述封裝面由多個相互呈一定角度的小封裝平面組成，所述封裝面內凹，并且，每個小封裝平面的中心法線在焦點位置處相交；所述VCSEL陣列中的所有VCSEL芯片分別安裝于所述熱沉的各個小封裝平面上，并且，每個所述小封裝平面用于封裝一個或多個VCSEL芯片。
[0016]其中較優地，所述光學傳輸器件的入光面的截面為圓弧狀或圓弧面外切多邊形。
[0017]其中較優地，所述高導熱光學窗口片是藍寶石或光學級人工鉆石。
[0018]其中較優地，所述高導熱光學窗口片的雙面鍍光學增透膜。
[0019]其中較優地，所述激光器熱沉的內部設計有微通道結構。
[0020]本實用新型提供的高功率VCSEL半導體激光治療裝置，采用VCSEL芯片作為激光光源，具有結構簡單的激光器熱沉，通過使用半導體制冷片、冷卻傳導金屬件和高導熱光學窗口片作為皮膚冷卻器件，且半導體制冷片的熱端通過VCSEL激光器熱沉進行散熱，使得半導體制冷片和VCSEL陣列的熱沉公用。這種高功率VCSEL半導體激光治療裝置具有結構簡單、功能強大、易于制造、可靠性高、環境適應性強等諸多優點，在激光醫療領域，如皮膚外科、激光美容外科領域等具有廣闊的應用前景。同時，在光學傳輸器件和支撐件的接觸縫隙處，以及支撐件和激光器熱沉的接觸縫隙處，使用密封膠(如硅橡膠)等進行密封固定，可以達到防水、防潮、防塵的效果。

【附圖說明】

[0021]圖1是本實用新型提供的具有皮膚冷卻功能的高功率VCSEL激光治療裝置的結構示意圖；
[0022]圖2是第二實施例中，VCSEL激光器熱沉和內壁反射型光學傳輸器件的結構示意圖；
[0023]圖3是第二實施例中，在激光器熱沉表面封裝VCSEL陣列的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型提供的技術內容詳細描述。
[0025]垂直腔面發射激光器(VCSEL)，是一種出光方向垂直于外延片的半導體激光器。高功率VCSEL激光器，是由成百上千個沿著外延片表面分布的VCSEL發光點構成的二維陣列，因而具有很高的光學輸出功率。一般VCSEL芯片的封裝是通過將VCSEL芯片整體焊接在一個具有高導熱率的封裝襯底上，然后將襯底焊接于散熱熱沉上，完成VCSEL的散熱冷卻。VCSEL激光器的封裝結構，由于使用了結構簡單的熱沉，使得激光器熱沉與半導體制冷片的熱沉公用成為可能。
[0026]本實用新型所提供的高功率VCSEL激光治療裝置的結構如圖1所示，包括激光器熱沉2、由多個VCSEL芯片組成的VCSEL陣列4、光學傳輸器件8、高導熱光學窗口片6、冷卻傳導金屬件I和多片半導體制冷片7。其中，VCSEL陣列4通過封裝襯底3封裝在激光器熱沉2上，在VCSEL陣列4出光面前方設置有光學傳輸器件8、并在光學傳輸器件8出光口端設置有高導熱光學窗口片6，在激光器熱沉2、光學傳輸器件8和高導熱光學窗口片6的外側設置有一體的冷卻傳導金屬件1，并且，在冷卻傳導金屬件I和激光器熱沉2之間設置有一片或多片半導體制冷片7，半導體制冷片7的熱端與激光器熱沉2接觸，半導體制冷片7的冷端與冷卻傳導金屬件I接觸。
[0027]在該高功率VCSEL激光治療裝置中，通過高導熱光學窗口片6、冷卻傳導金屬件I和半導體制冷片7構成的皮膚冷卻器件對皮膚進行冷卻，其中，半導體制冷片7的熱端通過激光器熱沉2進行散熱。也就是說，在該高功率VCSEL激光治療裝置中，VCSEL陣列4和皮膚冷卻器件公用激光器熱沉2。
[0028]具體來說，在圖1所示的實施例中，在該高功率VCSEL激光治療裝置內部，冷卻傳導金屬件I包裹于高導熱光學窗口片6、光學傳輸器件8和激光器熱沉2的外部。高導熱光學窗口片6嵌裝于冷卻傳導金屬件I前端的開口中，構成激光能量的出口。光學傳輸器件8通過圖1所示的支撐件10設置在冷卻傳導金屬件I前部的空腔中，支撐件10可以使用與冷卻傳導金屬件I相同的材料，用于將光學傳輸器件8在激光傳導過程中產生的熱量通過支撐件10和冷卻傳導金屬件I及時散發出去。當然，圖1中位于光學傳輸器件8和冷卻傳導金屬件I之間的支撐件10也可以與冷卻傳導金屬件I 一體成型，從而簡化整個激光治療裝置的組裝。激光器熱沉2設置在冷卻傳導金屬件I后部(遠離皮膚的一側)的空腔中，一片或多片半導體制冷片7設置在激光器熱沉2和冷卻傳導金屬件I之間的縫隙中，用于對冷卻傳導金屬件I進行制冷；半導體制冷片7的熱端與激光器熱沉2接觸，半導體制冷片7的冷端與冷卻傳導金屬件I接觸，從而將從冷卻傳導金屬件I傳送來的熱量通過激光器熱沉2傳輸出去。激光器熱沉2同時用于VCSEL陣列4和由高導熱光學窗口片6、冷卻傳導金屬件I和半導體制冷片7構成的皮膚冷卻器件的散熱。
[0029]在激光器熱沉2內部設置有微通道結構11，在激光器熱沉2的后部設置有出入水口 12，出入水口 12與激光器熱沉2內部的微通道結構11相通，用于提供冷卻水進行冷卻，從而提尚激光器熱?幾2的熱交換效率。
[0030]由此可見，在該高功率VCSEL激光治療裝置中，VCSEL陣列4和皮膚冷卻器件公用激光器熱沉2，VCSEL陣列4和半導體制冷片7均通過激光器熱沉2進行散熱，從而在保證充分散熱并能進行皮膚冷卻的前提下，簡化了激光治療裝置的內部結構。
[0031]上面對本實用新型提供的高功率VCSEL激光治療裝置的皮膚冷卻功能的實現結構進行了詳細的描述，下面對該高功率VCSEL激光治療裝置中的其他詳細結構進行介紹。
[0032]在圖1所示的第一實施例中，激光器熱沉2的封裝面是一個平面，多個VCSEL芯片在激光器熱沉2的封裝面上密集排列構成VCSEL陣列4。在VCSEL陣列4的出光面前方設置有光學傳輸器件8，具體來說，光學傳輸器件8通過固定件9 (當使用導光錐時，固定件9為光錐套)設置在激光器熱沉2和VCSEL陣列4的前方。為了達到防水、防潮、防塵的效果，在光學傳輸器件8和支撐件10的接觸縫隙處，以及支撐件10和激光器熱沉2的接觸縫隙處，可以使用密封膠(如硅橡膠)等進行密封固定。在該實施例中，光學傳輸器件8使用內壁反射型光學傳輸器件，用于對VCSEL陣列4發出的光線進行傳輸和匯聚。由于VCSEL是圓形光源，其發散角較小(發散角全角約為15?20度左右)，其遠場光強近似平頂分布，能量均勻，因此，與邊發射半導體激光器相比，VCSEL發射的光線更容易匯聚，并且在遠場能量分布均勻。此外，該內壁反射型光學傳輸器件，還可以將從皮膚治療點反射回來的光線反射至VCSEL陣列4的出光面上，依賴VCSEL芯片表面極高的反射率(99.5 %以上)，VCSEL陣列4的出光面可以對經過皮膚治療點和內壁反射型光學傳輸器件反射回來的反射光線進行高效的二次反射，充分提高了激光的利用率和皮膚的吸收率，提高了治療效果。
[0033]實際使用中，通常選取內壁拋光的反射鏡筒或者基于內壁全反射的導光錐(可以為平行光錐或梯臺型光錐等)作為光學傳輸器件8。其中，反射鏡筒利用內壁鏡面反射方式實現激光從芯片發光區到皮膚治療點的傳輸和匯聚；導光錐利用內壁全反射方式實現激光從芯片發光區到皮膚治療點的傳輸和匯聚。為了提高導光錐的透光效率，可以在導光錐的入光面和出光面分別蒸鍍光學增透膜。
[0034]在該實施例中，高導熱光學窗口片6貼靠在光學傳輸器件8的出光口端，高導熱光學窗口片6可以選用藍寶石或光學級人工鉆石等高導熱性、高透光性材料，為了增強高導熱光學窗口片6的透光率，還可以在該高導熱光學窗口片6的雙面蒸鍍光學增透膜。
[0035]綜上所述，在第一實施例中，使用封裝面為平面的激光器熱沉2對VCSEL陣列4進行封裝，使用內壁反射型光學傳輸器件(例如導光錐)對激光光線進行傳輸匯聚，并通過高導熱光學窗口片6、冷卻傳導金屬件I和半導體制冷片7構成的皮膚冷卻器件對皮膚進行冷卻。其中，通過簡單的結構設計，使得VCSEL陣列4和皮膚冷卻器件公用激光器熱沉2，從而簡化了高功率VCSEL激光治療裝置的內部結構。
[0036]在本實用新型提供的第二實施例中，高功率VCSEL激光治療裝置的整體結構設置與第一實施例相同，只有激光器熱沉2的封裝面、VCSEL陣列4的封裝結構以及光學傳輸器件8的入光面與第一實施例存在區別。激光器熱沉2的封裝面不僅可以設置成如圖1所示的平面，還可以設置成圖2所示的多邊形封裝面，而且，當激光器熱沉2的封裝面是如圖2所示的多邊形時，VCSEL陣列的聚光效果更好。
[0037]如圖2和圖3所示，激光器熱沉2的封裝面的截面是一個圓的部分外切多邊形，夕卜切于以皮膚治療點為圓心，以焦距為半徑的圓弧面。激光器熱沉2的封裝面由多個相互呈一定角度的小封裝平面組成，封裝面內凹，近似于內凹的弧形。具體來說，激光器熱沉2的封裝面的截面是以皮膚治療點所在的匯聚點(VCSEL陣列的焦點)為圓心O、以焦距為半徑R的圓的部分外切多邊形，其中，每個小封裝平面的中心法線均匯聚于焦點。實際使用中，其匯聚點可以有一定偏差，只要小封裝平面的中心法線可以匯聚于焦點附近即可。該激光器熱沉2通過將多個VCSEL芯片的光束匯聚到弧面圓心位置附近，實現多個VCSEL芯片在一個方向上的光學匯聚。
[0038]在該高功率VCSEL激光治療裝置中，使用上述激光器熱沉2對VCSEL陣列4中的所有VCSEL芯片進行封裝。如圖3所示，分別將VCSEL陣列4中的所有VCSEL芯片安裝于弧形熱沉2的各個小封裝平面上，并且，在每個小封裝平面上可以封裝一個或多個VCSEL芯片，這樣可以使所有VCSEL芯片的正投影全部分布在以焦點為圓心O、以焦距為半徑R的圓的外圓周上，并且，所有VCSEL芯片的中心法線在圓心位置相交。所以，所有VCSEL發光單元的光束，可以沿每個VCSEL芯片的中心法線方向在圓心位置相交，實現功率的疊加。
[0039]相應地，在該實施例中，光學傳輸器件8的入光面的截面可以為圓弧狀或圓弧面外切多邊形。同時，光學傳輸器件8的內壁以平行于以焦點為圓心、以焦距為半徑的圓的半徑方向為優，光學傳輸器件8的長度小于VCSEL陣列4焦距的長度。通過該光學傳輸器件8可以實現激光的高效傳輸，并對激光具有一定的光束壓縮作用，實現光束匯聚功能。
[0040]當光學傳輸器件8的入光面的截面呈圓弧形時，其入光面的圓心與VCSEL陣列4的匯聚點相同，從而使入光面與VCSEL陣列4中的各個VCSEL芯片的出光面相切，VCSEL芯片出光面的中心法線垂直于光學傳輸器件8的入光面，VCSEL芯片發射的激光可以直射入光學傳輸器件8的內部，并且，每個VCSEL的發散角都可以得到壓縮。
[0041]當光學傳輸器件8的入光面的截面呈圓弧面外切多邊形，其入光面可以由多個互相呈一定角度的小平面組成，并且，其圓心與激光器熱沉4的圓心同心。使光學傳輸器件8的每個小平面與激光器熱沉2的單個小封裝平面對應且平行，可以使封裝于各個小封裝平面上的VCSEL芯片的中心法線與其對應的小平面垂直，從而，使得VCSEL芯片發射的激光可以直射入光學傳輸器件8的內部，并且，每個VCSEL的發散角都可以得到壓縮。此外，這種圓弧面外切多邊形的設置極大地減小了 VCSEL陣列4與光學傳輸器件8之間的距離，減少了縫隙處的激光逃逸。
[0042]在本實用新型提供的第二實施例中，在高功率VCSEL半導體激光治療裝置中，不僅通過對皮膚冷卻器件進行改進，簡化了其內部結構，同時，通過對VCSEL陣列的封裝進行改進，有效提高了 VCSEL的光學匯聚和利用率。
[0043]綜上所述，本實用新型提供的高功率VCSEL半導體激光治療裝置，采用VCSEL芯片作為激光光源，具有結構簡單的激光器熱沉。同時，該高功率VCSEL半導體激光治療裝置使用半導體制冷片、冷卻傳導金屬件和高導熱光學窗口片作為皮膚冷卻器件，半導體制冷片的熱端與VCSEL陣列公用激光器熱沉，從而在實現皮膚冷卻的同時，使得整個裝置的冷卻結構和通水結構變得極其簡單。這種裝置結構簡單、功能強大、易于制造、成本低廉、可靠性高、環境適應性強等諸多優點，在激光醫療領域，如皮膚外科、激光美容外科領域等具有廣闊的應用前景。
[0044]以上對本實用新型所提供的一種具有皮膚冷卻功能的高功率VCSEL激光治療裝置進行了詳細的說明。對本領域的技術人員而言，在不背離本實用新型實質精神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都將構成對本實用新型專利權的侵犯，將承擔相應的法律責任。
【權利要求】
1.一種具有皮膚冷卻功能的高功率VCSEL激光治療裝置，其特征在于包括激光器熱沉、封裝在所述激光器熱沉上的VCSEL陣列、設置在所述VCSEL陣列出光面前方的光學傳輸器件、以及設置在所述光學傳輸器件出光口端的高導熱光學窗口片， 在所述激光器熱沉、所述光學傳輸器件和所述高導熱光學窗口片的外側設置有一體成型的冷卻傳導金屬件，并且，在所述冷卻傳導金屬件和所述激光器熱沉之間設置有一片或多片半導體制冷片，所述半導體制冷片的熱端與所述激光器熱沉接觸，所述半導體制冷片的冷端與所述冷卻傳導金屬件接觸。2.如權利要求1所述的高功率VCSEL激光治療裝置，其特征在于: 所述冷卻傳導金屬件包裹于所述高導熱光學窗口片、所述光學傳輸器件和所述激光器熱沉的外部； 所述高導熱光學窗口片嵌裝于所述冷卻傳導金屬件前端的開口中；所述光學傳輸器件設置在所述冷卻傳導金屬件前部的空腔中；所述激光器熱沉設置在所述冷卻傳導金屬件后部的空腔中，一片或多片所述半導體制冷片設置在所述激光器熱沉和所述冷卻傳導金屬件之間的縫隙中。3.如權利要求2所述的高功率VCSEL激光治療裝置，其特征在于: 所述光學傳輸器件通過支撐件設置在所述冷卻傳導金屬件前部的空腔中，在所述光學傳輸器件和所述支撐件的接觸縫隙處，以及所述支撐件和所述激光器熱沉的接觸縫隙處，使用密封膠進行密封固定。4.如權利要求1或2所述的高功率VCSEL激光治療裝置，其特征在于: 所述光學傳輸器件通過固定件設置在所述激光器熱沉和所述VCSEL陣列的前方。5.如權利要求1或2所述的高功率VCSEL激光治療裝置，其特征在于: 所述光學傳輸器件是內壁拋光的反射鏡筒或者基于內壁全反射的導光錐。6.如權利要求1或2所述的高功率VCSEL激光治療裝置，其特征在于: 所述激光器熱沉的封裝面的截面是一個圓的部分外切多邊形，所述封裝面由多個相互呈一定角度的小封裝平面組成，所述封裝面內凹，并且，每個小封裝平面的中心法線在焦點位置處相交；所述VCSEL陣列中的所有VCSEL芯片分別安裝于所述熱沉的各個小封裝平面上，并且，每個所述小封裝平面用于封裝一個或多個VCSEL芯片。7.如權利要求6所述的高功率VCSEL激光治療裝置，其特征在于: 所述光學傳輸器件的入光面的截面為圓弧狀或圓弧面外切多邊形。8.如權利要求1或2所述的高功率VCSEL激光治療裝置，其特征在于: 所述高導熱光學窗口片是藍寶石或光學級人工鉆石。9.如權利要求8所述的高功率VCSEL激光治療裝置，其特征在于: 所述高導熱光學窗口片的雙面鍍光學增透膜。10.如權利要求1或2所述的高功率VCSEL激光治療裝置，其特征在于: 所述激光器熱沉的內部設計有微通道結構。
【文檔編號】A61N5-067GK204275310SQ201420680028
【發明者】李陽, 李德龍 [申請人]李德龍