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1、华中科技大学 硕士学位论文 用于脱毛的长脉冲Nd:YAG激光器的设计 姓名：陈宏刚 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：李正佳 20090514 I 摘 要 采用激光手术来永久性的去除多余毛发是现代手术脱毛的一个发展趋势，相对于 肤色较深的亚洲人种来说，采用 1064nm 的长脉冲 Nd:YAG 激光器进行手术脱毛效果 明显。本论文主要介绍了用于去除人体多余毛发的长脉冲 Nd:YAG 激光器设计的原理 和方法，其中提出了激光器采用调 Q 与非调 Q 两种工作方式来针对单个患者进行综合 性的治疗。 文中首先介绍了激光脱毛的基本原理以及激光脱毛的研究进展，并对课题研究的 主要内容和技术方
2、案进行的详细的阐述，同时给出了设计的具体步骤和预期参数，接 着则对设计的一些重点问题进行了详细的阐述，给出了这些问题的具体设计方法，具 体有下面几个内容： (1) Nd:YAG 激光器作为四能级结构的激光器，满足四能级的速率方程，这样通过 对四能级速率方程进行模拟得出了长脉冲和调 Q 状态下，激光器泵浦能量、输出镜的 透射率和输出能量之间的关系。 (2) 采用 PIC16F877 单片机控制开关元件 IGBT 作为激光器电源控制电路的核心， 其中 IGBT 的驱动芯片选用集成芯片 KA962， 并通过实时时钟芯片 DS12CR887 进行时 间显示，液晶和按键组成了友好的人机交互界面。 (3)
3、 对光纤耦合系统进行了详细的设计， 根据透镜参数的设计公式确定了耦合镜的 一些基本参数，通过对比不同玻璃材料组成透镜的耦合效率，确定了透镜的玻璃材料， 同时选用了合适的光纤进行光束传输，给出了光束耦合效率的计算方法。 (4) 根据所搭建的实验平台进行了相应的实验， 分别的得出了通过光纤耦合后输出 的近场光斑图和远场光斑图，同时也得出了在不同泵浦脉宽和能量下，激光输出的光 斑图，这为以后进一步的优化设计打下了基础。 关键词关键词：长脉冲 激光脱毛 控制电路 光纤耦合 复合透镜 II Abstract The way of laser surgery to remove unwanted hair
4、 permanently is a modern development trends，because of the skin of Asian is dark, the adoption of long-pulsed 1064nm Nd:YAG laser to remove hair is effective. This thesis introduces the principles and methods of the long-pulsed 1064nm Nd:YAG laser designation, which removes the unwanted hair. Two wo
5、rk conditions of laser are Q-and non-Q, which carried out for individual patients with comprehensive treatment. At first, the article introduces the basic principles of hair removal by laser, as well as the progress of the study, and introduces the main elements of research and technology program de
6、tailedly. At the same time, the designation of concrete steps and expected parameters are determined, then the thesis introduces some key issues detailedly, and the specific design methods of these issues are given, which are demonstrated as follows: (1) Nd:YAG laser as a four-level structure laser，
7、 which meet the four-level rate equation. Through the simulation of the four-level rate equations in long pulse state and Q-state, energy-pumped laser 、the output mirror transmission rate and the relationship between the output energy are determined. (2) PIC16F877 single chip controls switching elem
8、ents IGBT, as the core of laser power control circuit. The driver IC chip of IGBT chooses KA962, and uses a real-time clock chip called DS12CR887 display time, key components and liquid crystal compose a friendly interactive interface between people and machine. (3) Optical fiber coupling system is
9、designed in detail, in accordance with the formula of the lens design parameters, which determines some of the basic parameters to the coupling mirror. By compare the efficiency of the beam, which coupling by lens with different glass materials to determine the best lens materials. At the same time,
10、 choose a suitable optical fiber to transmit beam of light and educes the formula of the coupling efficiency calculation. (4) According to the experimental platform to do some experiments, which obtain the laser spots through the fiber-coupled outputs in the near-field and far-field respectively, at
11、 III the same time, obtain the map of laser output beam at different width and energy pump pulse, which conduce to further optimization in the future. Key words: long-pulse hair removal by laser control circuit fiber coupling compound lens 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的
12、内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：陈宏刚 日期： 2009 年 5 月 14 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在
13、以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 激光脱毛的工作机理 1.1.1 研究背景 随着当前生活节奏的加快导致许多人内部激素水平分布不正常，从而产生多余的 毛发，使得多余毛发成为整形美容方面的一个主要问题。目前脱毛有暂时性和永久性 两种方式, 暂时性的脱毛方法包括剃刮、拔除、蜡脱、胶布粘除、化学脱毛剂等，由 于暂时性的脱毛治标不治本，不能永久性的去除毛发，很少被医用1。永久性的脱毛方 法则包括有电解脱毛、放射线脱毛和激光脱毛，其中电解法脱毛需将电极刺入到毛发 的毛囊中,治疗时间长，容易对毛发的周围组织产生
14、伤害而且效果较差，一般毛发去除 率仅为15到50；而放射线脱毛对人体有害，运用较少；激光脱毛则是采用激光照 射靶组织，由于这些靶组织的毛囊内含丰富的黑色素细胞，这些黑色素细胞对所照射 的激光很敏感，并通过吸收光束能量破坏靶组织，起到永久性根除毛发的作用，这样 的治疗方法速度快，周期短，疗效好（一般经过三到四次治疗就能去除70%80%的多 余毛发） ，并且不会对周围的皮肤组织造成伤害，运用前景很广阔，是目前最为理想的 脱毛方法1。 目前已有五类激光器运用于永久性的激光脱毛手术中， 它们分别是波长为 694nm的红宝石激光器，波长为1064nm的Nd:YAG激光器，波长为755nm的紫翠玉宝石 激
15、光器，波长为800nm的半导体激光器和波长范围在5501200nm间的强脉冲灯。这五 种激光在短期脱毛的过程中各有优缺点，很难对它们的疗效进行比较，因为它们使用 的参数如治疗的时间间隔，光束脉宽等可能不同，同时不同的个体也存在较大的差异， 所以很难评价哪种激光器性能更优越2。由于Nd:YAG激光波长更长，能够更深入的到 达毛囊根部，使得表皮吸收热量更少，激光能量就基本完全被毛囊中黑色素吸收，这 样光束的能量利用率较高而且毛发周围组织的热效应小， 所以Nd:YAG激光更适合于肤 色较深的亚洲人群，当前长脉冲Nd:YAG激光脱毛机技术已经比较成熟，治疗效果较好 同时医生操作也很方便,一些成功的治疗
16、事例显示了长脉冲Nd:YAG激光器运用于毛发 去除手术的广阔前景， 所以采用长脉冲的Nd:YAG激光器进行脱毛对于激光脱毛的研究 有很重要的意义3。 2 1.1.2 工作机理 图1-1 激光照射皮肤示意图 上图1-1是激光作用于人体皮肤组织的示意图4，在介绍激光作用原理之前需要介 绍毛发的组织结构，毛发是皮肤的附属物，人体除了手掌，脚底和嘴唇外，几乎所有 的部位都有毛发， 毛发主要由一些化学物质组成， 其中蛋白质的含量大约为65%85%， 其余成分则是水、固态物质和矿物质4。从组织结构来看，毛发由毛和毛囊两个不同的 部分组成,其中毛囊由毛凸，毛球，毛乳头，毛基质等部分组成，毛囊最深处是位于离 角质层37的毛乳
