用于激光祛斑的畸變鏡頭

常 山，呂 巋，吳 波，陳冠華

(上饒師范學院物理與電子信息學院，江西上饒334001)

1 引言

皮膚組織具有受到適當外部刺激能夠自我修復愈合的能力，恰當的微創傷會啟動組織的再生修復功進行完美換膚，不同顏色的色素斑對不同波長的激光選擇性吸收，吸收一定能量后被破壞分解，分解后逐漸被身體吸收，顏色隨之淡化，激光祛斑就是這樣一種“微創傷修復”的激光美膚技術［1－3］。但是，通常在激光祛斑時皮膚受到的是能量的點射，會引起紅腫現象，有些皮膚較敏感者有嚴重的反應，有時色素不全部消退，造成臉部膚色黑白程度不均勻。好療效需要科學調控祛斑激光束，平頂化的激光束會使祛斑效果更好，人們研究波長、脈沖寬度、能量密度等因素時對束型平頂化研究的很少［3－4］。文獻［5］研究了用負球差透鏡獲得平頂激光光束，僅在兩個位置聚焦得到平頂激光光強分布，平頂部分約為光強有效分布的40%，用此聚焦法獲得的光斑直徑很小，不適于一次祛除毫米級及其以上的光斑。研究如何使祛斑用激光束的光強分布均勻且光斑形狀和大小跟欲祛除膚斑相一致，可以提高激光祛斑的準確性和效率，減少激光刺激次數和治療次數，減小副作用，改善治療效果［3－4］。

2 基于畸變鏡頭對高斯光束離焦下平頂化的激光祛斑

2.1 光學系統及其技術要點

基于畸變鏡頭對高斯光束平頂化聚焦的激光祛斑所用光學系統如圖1所示，主要包括激光器、擴束準直系統、畸變鏡頭和欲祛除斑等。技術要點是用倒裝望遠系統對激光器發出的基模高斯光束擴束準直，之后再用畸變鏡頭將其在離焦下平頂化聚焦為光強均勻分布的祛斑激光束［6］。

圖1 激光祛斑光學系統圖

2.2 畸變鏡頭對已擴束準直高斯光束離焦下平頂化

圖1 中基模高斯光束被擴束準直成為束腰為ω的高斯光束，到達畸變鏡頭時的光場為［7－9］:

鏡頭畸變波像差W=C311ρ21( x1x+y1y)，令x'=βdx1和 y'=βdy1，βd=1 － C311z1ρ21，取極坐標 x+jy=ρejφ和 x'+jy'= ρ'ejφ'，有 ρ'= ( 1 － C311z1ρ21)ρ1和 φ'=tan－1( y /x)= φ 。參考文獻［6］和［7］，利用

111，對于已擴束準直的高斯光束，根據基爾霍夫衍射公式得束腰為ω的基模高斯光束經過孔徑為R、焦距為f的畸變鏡頭衍射變換后的光場為［7－9］:

由式(3)可知，如果鏡頭的畸變波像差系數C311足夠大，有 C311z1ρ21max＞＞1，通過設計適當的參數，在z1處由畸變鏡頭得到平頂化激光束。

2.3 畸變鏡頭的設計要求

魚眼鏡頭在短焦距下獲取超大視角而像有很大畸變。用魚眼鏡頭對高斯光束進行離焦平頂化時，因激光單色性極好色差可忽略，已擴束準直的高斯光束正射時近乎軸向平行光，傾斜細光束形成的彗差很小，大畸變下不大的場曲對平頂化聚焦影響極小，所以重點消除球差和像散。魚眼鏡頭往往采用凸、凹透鏡組合和非球面透鏡的組合，分別可以消球差和消像散［10］?？傊?，設計具有大畸變和一定場曲的魚眼鏡頭用于對已擴束準直的高斯光束離焦下平頂化，比設計通常的魚眼鏡頭更為容易些。

3 計算模擬

3.1 已擴束準直高斯光束被畸變鏡頭離焦下平頂化

波長λ=0.5μm擴束準直后束腰半徑ω=5 mm的高斯光束，到達z0=－150 mm處半徑R=10 mm的畸變鏡頭時光斑半徑ω(0)=5 mm、曲率半徑R(0)=164490000 mm，通過焦距f=100 mm的畸變波像差系數C311=±102λ的鏡頭，在z1=300 mm處離焦量Δz=200 mm時平頂化聚焦光束的相對光強分布。

圖2 正負畸變鏡頭把高斯光束離焦下平頂化

圖2 反映了C311=102λ的正畸變鏡頭和C311=－102λ的負畸變鏡頭對高斯光束離焦下的平頂化，光斑半徑約為0.8 mm，前者正畸變鏡頭產生的平頂部分占光強有效部分的65%以上，比后者負畸變鏡頭的平頂化效果更出色。

3.2 祛斑激光束口徑的調控參數

把上面實驗中波長λ、束腰半徑ω、束腰到鏡頭的距離z0、鏡頭焦距 f、畸變系數 C311和離焦量Δz每次僅單獨改變為 λ=0.6μm、ω=8 mm、z0= －500 mm、f=50 mm、C311=50 λ、Δz=900 mm而保持其他量不變。

圖3 祛斑激光束口徑的調控參數

圖3 實驗跟圖2中C311=102λ的正畸變鏡頭實驗相比較可看出，改變波長λ、束腰半徑ω、束腰到鏡頭的距離z0、鏡頭焦距f、畸變系數C311和離焦量Δz之一可改變祛斑用平頂化光束的大小，但束腰到鏡頭的距離z0影響甚微，波長λ影響不大，離焦量Δz范圍大便于調節，束腰半徑ω、鏡頭焦距f和畸變系數C311影響較大，是需要掌控的激光束和畸變鏡頭的重要參數。

4 結語

本文針對激光祛斑的治療和研究現狀，提出并研究了激光祛斑的重要因素之一激光的平頂化束型，設計了基于畸變鏡頭對高斯光束離焦下平頂化的祛斑技術方案，給出光學系統和技術要點及其畸變鏡頭的設計要求，定量分析并計算模擬了畸變鏡頭對擴束準直的高斯光束離焦下的平頂化及光束口徑的調控方法，表明這一激光祛斑原理及其技術方法是可行的，該離焦法的平頂化程度高，在離焦的各個位置上都可得到平頂化光束，調節參數可使平頂光束口徑的大小跟欲除斑的大小相一致，對改善激光祛斑效果能夠發揮重要作用。

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