6XXnm MF2系列激光器在光动力理疗中的应用

摘要

随着医疗技术的进步，红光激光在医学领域广泛应用。光动力疗法（PDT）利用光化学反应，已成为治疗痤疮和肿瘤等疾病的精确治疗手段，在临床实践中获得广泛认可。PDT通过特定波长（如630nm和675nm）的激光照射激活光敏剂，光敏剂与氧气相互作用，选择性地破坏病变组织，实现了微创或无创的肿瘤治疗。

本文介绍了MF系列激光器，这是一种光纤可插拔的巴条耦合激光器，红光波长范围为630nm至690nm，输出功率范围为0.5W至19W，MF系列配合NA0.22，400μm插拔光纤使用，具有良好的长期可靠性和环境适应性。它具有稳定的波长、高输出功率、紧凑设计和高集成度等特性，并有智能温控和自动保护机制，确保了在医疗应用的稳定性。MF系列非常适合光动力治疗，提供了更高的治疗精度和更好的治疗效果。

1. 引言

光动力疗法（PDT）作为一种极具前景的治疗手段，通过精准靶向和微创特性，广泛应用于痤疮、肿瘤、静脉畸形和口腔疾病治疗。在PDT中，6XXnm红光波长的激光对胶原纤维和黑色素有更高亲和力，且与血红蛋白的相互作用较小，因此对活细胞和组织中的多个过程产生显著影响。

在光动力理疗中，6XXnm波长基于其光谱吸收特性，直接作用于胶原成分，将热量直接传递到胶原纤维，而不干扰其他色素。随后，热量扩散到周围区域，促进胶原的即时收缩和变性，同时激活纤维细胞产生新的胶原，促进皮肤修复和再生。

相比手术技术，675nm激光治疗优势明显。其治疗过程无痛且无需麻醉，大大减轻患者不适；操作简便，疗程短，无副作用。尽管对血红蛋白的亲和力低，但能有效作用于血管壁的胶原纤维，增加血管弹性，改善外观。此外，该波长红光对皮肤产生选择性热损伤，平均穿透深度超过1mm，直达真皮层。这些特性使得能量输送可控，便于根据患者的具体情况进行个性化治疗，从而改善治疗效果，降低风险。

体外成纤维细胞研究表明，660nm波长可促进碱性成纤维细胞生长因子的释放，632.8nm波长能激活成纤维细胞转化为肌成纤维细胞，而665nm和675nm波长的光则能更快地刺激成纤维细胞增殖。这些发现进一步证实了不同波长光在光动力理疗中的作用机制。

2. 试验与设计

本文介绍了一种专为医疗领域应用设计的传导冷却、基于半导体巴条的光纤耦合，插拔光纤激光器——MF2系列。它具有高亮度、高功率、小体积和紧凑结构的特点，集成了多种针对医疗应用的附加功能，包括引导激光、光电探测器、传感器以及热敏电阻等功能，确保用户安全和治疗参数的有效控制。

与传统激光器相比，这种条形光纤耦合激光器在6XXnm波长下具有显著优势，能在有限体积内实现高功率输出。其传导冷却设计提升了便携性，便于安装和更换；可插拔的光纤输出还可以扩展为手持操作，为医生提供便利。此外，光纤输出前端设有可清洁的保护窗（防爆罩），防止光纤尖端烧毁导致的激光故障，延长激光器使用寿命。

MF2系列工作波长为630nm、675nm和690nm，采用400μm/440μm 0.22NA光纤，最大功率可达19W输出，NA为0.17。该激光器重量仅为165g，尺寸为100.95mm × 31mm × 29mm（如图1所示）。这种结构设计可拓展应用于其他领域，如6XX、8XX、9XX和1060nm以及1470/1540和其他1XXXnm波长，功率输出范围0.5W到70W。根据用户需求，可选配附加功能，广泛应用于医疗和泵浦等领域。 

图1 MF2系列外观

3. 结果与讨论

目前，传统红光激光器主要以晶体管外壳（TO）封装形式存在，其功率输出仅为数百毫瓦。当使用多个TO封装来实现19W的功率输出时，会导致尺寸增大。为实现紧凑结构，采用了巴条的耦合方法，并将条形封装在传导冷却的散热器上。在30A的输出电流下，该设计实现超28W的功率输出，（功率-电压曲线如图2所示）。

图2. 675nm半成品的PIV曲线

为实现巴条与光纤的耦合输出，使用了具有定制周期的光束变换系统（BTS），对上述半成品进行快轴和慢轴转置。这种方法解决了慢轴尺寸大和发散角宽的问题。BTS后的光斑轮廓如图3所示，慢轴准直后的光斑轮廓如图4所示 

图3. BTS后的光斑轮廓

图4. SAC后的光斑轮廓

在满足紧凑结构要求的前提下，通过理论计算及实验验证了各种光学参数。400μm光纤的输出功率大于19W，数值孔径为0.21。结合不同应用场景需求，优化了产品的输出亮度，以平衡输出功率和亮度，不同结构的功率对比曲线如图5所示。200μm光纤输出的结果清楚地显示了光斑尺寸的差异，不同结构的数值孔径对比曲线如图6所示。在最终结构中，当数值孔径为0.17时，输出功率大于19W，功率-电压（PIV）曲线如图7所示。

图5. 不同结构的功率对比曲线

图6. 不同光学比例下的NA对比

图7. 最终结构设计的PIV曲线

在满足光电参数要求基础上，产品设计为上下层结构并密封。密封的激光外壳确保医疗设备在各种环境中可靠、持久且安全运行，既满足功能要求，又符合卫生要求，有助于提高医疗应用的效率和安全性。这种创新的双层结构设计不仅增强了产品的功能和性能，还提供了更高效的布局。

下层专门用于容纳主光源和光学组件。精心选择的光源和高质量的光学组件协同工作，确保最佳输出和精度。光学元件经过精确设计，以操纵和引导光线，满足应用的特定要求。

上层作为控制单元，用于实现附加功能。这里集成了先进技术，提供增强的控制和监控功能。通过复杂的电路板，将光电二极管（PD）监测、热敏电阻、光纤传感器和指示灯控制等功能集成在一起。电路板作为中央枢纽，连接和协调这些各种组件，确保无缝操作。

这些集成功能的输出通过12针监测接口传输。该接口为将产品连接到软件提供了可靠且标准化的连接点。软件随后实现对上述功能的反馈控制，允许对产品性能进行微调和优化。

其中，独特的设计使得PD检测的重复性和准确性得以控制在3%以内。PD在不同电流下的对应关系是线性的，如图8所示。这种线性关系提供了可预测性和易用性，允许精确控制和校准。

图8. 输出功率与PD响应曲线的对应关系

MF2模块采用可更换式保护窗（防爆罩）设计，具有出色的维护便捷性。如果使用低质量、廉价消耗型光纤或预损坏光纤，即使模块内部耦合端发生烧毁，也仅会导致可更换保护窗受到污染，而确保外壳密封性的内部保护窗仍能保持完好。这种设计使客户能在现场自主完成保护窗的更换或清洁操作，确保激光模块持续稳定运行。

4. 结论

凯普林提供的MF系列半导体凭借体积小、功率高、功能全面等优势，不仅为医疗健康领域提供了很好的光源工具，还将服务于更多终端应用场景。 未来凯普林将进一步提升激光器的性能，为多元化应用开辟新的发展空间。