衝擊波聚焦裝置的製作方法
2023-09-18 11:30:45 2
專利名稱：衝擊波聚焦裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及工程物理，特別涉及在透明介質中獲得聚焦衝擊波的裝置。本發明能應用於機器製造業、儀表製造業、化學工藝及其它一些部門中，用來在預定目標上形成局部應力。本發明主要應用於醫學中，用來進行診斷和用於體外碎石術。
聚焦衝擊波對目標上的預定點的作用效果與許多因素有關，例如衝擊波波幅、聚焦點的形狀、雷射動力特性、其中包括衝擊波的聚焦準確度，而後者在很大程度上又取決於給定裝置所採用的光學系統。特別是，用來保證衝擊波聚焦的光學系統越複雜，即光學系統所包含的彼此獨立的光學元件越多，裝置的操作及其調整通常也就越複雜，因為各光學元件之間的任何相互移動，都將導致裝置的散焦，從而使衝擊波不能聚焦在指定點上。
已知的衝擊波聚焦裝置包括設置在液體中的形成球面衝擊波的器件-火花放電器和呈被截開的橢球面形狀的用來使球面衝擊波聚焦的器件，而且火花放電器安裝在橢球面的第一焦點上(DE，A，3210919)。
在裝置的工作過程中，由橢球面的第一焦點(火花放電器的安裝位置)上的火花放電器在液體中形成的球面衝擊波從橢球形表面上反射後，將聚焦在橢球形表面的第二焦點上。但是，由於衝擊波的形成及其聚焦是由分開設置在空間的兩個互相獨立的元件實現的，所以上述裝置中的光學系統相當複雜，相應地裝置的操作和調整方法也複雜。特別是由於上述裝置採用具有給定的兩個固定焦點的橢球面形反射器，在其中的一個焦點上形成球面衝擊波，而該球面衝擊波聚焦在另一個焦點上，這就必須保證火花放電器的位置要極其準確地與橢球面的焦點之一相重合。但在裝置的工作過程中，火花放電器的電極會很快燃燒，導致火花放電器相對於橢球面焦點產生移動，從而導致所形成的初始衝擊波形狀變形，使衝擊波不能聚焦在指定點上。
此外，特別是在醫學上使用上述裝置的情況下，利用火花放電器作為產生衝擊波的器件是不適宜的，因為火花放電器是給操作人員和病人增加危險的根源。
還有一種已知的衝擊波聚焦裝置，它包括脈衝雷射器、盛有對雷射輻射透明的介質的箱-盛有液體的槽以及設置在液槽中的用來使雷射輻射聚焦和使球面衝擊波聚焦的器件(PCT/DE 85/03631)。上述器件由分開設置在空間的兩個彼此獨立的元件構成，例如使雷射輻射聚焦用的拋物柱面鏡和其表面用來使球面衝擊波聚焦的被截開的橢球面。而且拋物柱面鏡的焦點應與被截開的橢球面的焦點之一相重合。
也可以利用菲涅耳透鏡或幾個透鏡的組合來聚焦雷射輻射。
該裝置與前面所述的設計不同，它是靠介質的光學擊穿來產生球面衝擊波的，這種光學擊穿發生在與橢球面的焦點之一相重合的雷射輻射的聚焦點上。
實現球面衝擊波聚焦的方法與前一種裝置相同，也是由於球面衝擊波從橢球面上反射而聚焦在其焦點上的。也就是說，在該裝置中保證使產生球面衝擊波的雷射輻射聚焦以及使球面衝擊波聚焦，也是由分開設置在空間的兩個彼此獨立的元件實現的，因此該裝置的光學系統也相當複雜。正像前面所指出的，光學系統的複雜性決定了裝置的操作和調整的複雜性，因為保證雷射輻射聚焦和球面衝擊波聚焦用的彼此獨立的各元件只要發生任意微小移動，都會導致裝置的散焦，從而使衝擊波不能聚焦在目標的指定點上。
此外，因為與橢球面焦點之一相重合的衝擊波聚焦點位於雷射輻射區，所以當該裝置被用於醫學上時，雷射輻射有可能對病人產生不良影響。這時將病人同雷射輻射屏蔽開而不顯著損失衝擊波能量是不可能實現的。
本發明的任務是製造這樣一種衝擊波聚焦裝置，該裝置中用來保證使產生球面衝擊波的雷射輻射聚焦的器件和使球面衝擊波本身聚焦的器件是這樣製成的，即由同一個元件來保證雷射輻射聚焦和球面衝擊波聚焦，從而簡化了裝置的光學系統，簡化了其操作和調整方法，因而也就提高了衝擊波聚焦的準確性。
完成所提出的任務方法是衝擊波聚焦裝置包括脈衝雷射器、盛有對雷射輻射透明的介質的箱以及用來使雷射輻射聚焦和使球面衝擊波聚焦的器件，該器件具有能使球面衝擊波聚焦的表面。根據本發明，用於雷射輻射聚焦和球面衝擊波聚焦的器件是由對雷射輻射透明的材料製成的凹凸鏡片，該鏡片表面具有不同的曲率值，而且使球面衝擊波聚焦的表面呈凹面狀。
在所推薦的裝置中，雷射輻射的聚焦由利用對雷射輻射透明的材料製成的凹凸鏡片來實現，而球面衝擊波的聚焦則由該鏡片的凹形表面來實現，也就是說，雷射輻射的聚焦和球面衝擊波的聚焦是由同一個元件實現的。
因此，本裝置的光學系統將比按照PCT/DE 85/03631製成的裝置簡單，而且減小了裝置散焦的可能性，從而簡化了其操作和調整方法。
發明人發現，為了保證雷射輻射和衝擊波同時聚焦，鏡片表面必須具有不同的曲率值，而且鏡片表面曲率值之間的關係決定著雷射輻射的聚焦點和衝擊波的聚焦點之間的相互位置。
因此在本裝置中，可以利用一套能互相替換的其表面曲率關係不同的鏡片來改變雷射輻射聚焦點和衝擊波聚焦點的相互位置，從而使得裝置的操作方法更加簡化。
裝置的製作方案可以這樣鏡片的凹表面對著雷射器，而其凸表面上有反射雷射輻射的鍍層。
在裝置的這一方案中，由鏡片的凸形反射表面使雷射輻射聚焦，而球面衝擊波則由鏡片的凹表面聚焦，而且球面衝擊波的聚焦點將位於雷射器和鏡片之間。
裝置的另一種製作方案可以這樣鏡片的凸表面對著雷射器。
而且雷射輻射的聚焦由透鏡(即由鏡片的兩個表面-凸表面和凹表面及兩表面間的介質)實現，而球面衝擊波的聚焦則由鏡片的凹表面實現。
球面衝擊波的聚焦點相對於雷射器將位於鏡片的另一側。
衝擊波聚焦裝置的這兩種所推薦的製作方案，從所完成的任務的觀點看，也就是從用同一個光學元件來保證雷射輻射聚焦和球面衝擊波聚焦的觀點來看，是等效方案。裝置的上述兩種製作方案的區別在於兩種裝置在工作過程中，球面衝擊波的聚焦點相對於雷射器和鏡片的位置不同，與此相關，這兩種裝置可應用於不同的領域。
在所推薦的裝置的任意一種製作方案中，凸表面和凹表面的主光軸可以相交成一定角度。
在鏡片兩表面各自的主光軸如上所述配置的情況下，衝擊波的聚焦點將位於雷射輻射區的外面，並且可以很容易地屏蔽雷射輻射而實際上又不損失衝擊波能量。
按照這一方案製作的衝擊波聚焦裝置主要用於醫學中。
在隨後的分析中將參照附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，進一步弄清上述優點及本發明的特徵。
圖1為衝擊波聚焦裝置的略圖，其製作方案是鏡片的凸表面上有反射雷射輻射的鍍層。
圖2為圖1所示裝置的略圖，在該裝置中鏡片兩表面各自的主光軸相交成一定角度。
圖3為按另一方案製作的衝擊波聚焦裝置的略圖。
根據本發明，衝擊波聚焦裝置包括脈衝雷射器1(圖1、2、3)、盛有對雷射輻射透明的介質的箱2以及設置在箱2中的使雷射輻射聚焦和使球面衝擊波聚焦用的器件3。
箱2可以是例如充滿對雷射輻射透明的液體或氣體的槽。使雷射輻射聚焦和使球面衝擊波聚焦用的器件3作成凹凸鏡片的形式，該鏡片有凹表面4和凸表面5，且這兩個表面有不同的曲率值。鏡片3是用對雷射輻射透明的材料製成的。
凹表面4是使球面衝擊波聚焦的表面。對雷射輻射來說，鏡片3的焦點O1(圖1、2、3)位於凹表面4的前面。表面4和5被作成例如球面形。上述表面4、5也可以作成另外的曲面形狀，例如橢球面，但表面4和5呈球面形狀則更合乎工藝要求。根據圖1所示的推薦裝置的第一種實施方案，凹表面4對著雷射器1，而凸表面5上帶有反射雷射輻射的鍍層，例如帶有銀層。雷射輻射的聚焦點O1位於雷射器1和凹表面4之間。球面衝擊波的聚焦點O2位於雷射器1和鏡片3之間，而且鏡片3的凹表面4到球面衝擊波的聚焦點O2的距離d與鏡片3的表面4和5的曲率大小之比有關。在鏡片3的表面4、5呈球面形狀的情況下，上述距離d可由下式計算d= (γ2R1R2)/(2［R1-R2+(1-γ)2L］) (1)式中R1-凸表面5的曲率半徑，單位為米。
R2-凹表面4的曲率半徑，單位為米。
γ＝n1/n2n1和n2-分別為透明介質和製作鏡片3的材料的折射率。
L-鏡片3的中心厚度，單位為米。
d-從鏡片3的凹表面4到衝擊波的聚焦點O2的距離，單位為米。
條件式(1)是根據射線在球形表面上折射和反射情況下阿貝不變式關係(Г.С.laHgcdeP2著「光學(Onmuka)」1976，科學出版社(莫斯科)，第926頁)，並考慮到鏡片3的材料折射率n2和在其中形成衝擊波的透明介質的折射率n1之差求得的。
當表面4和5呈非球面形，但近似於球面形時，上面的條件式(1)將是正確的，這時R1和R2應分別理解為表面5和4的平均曲率值。當表面4和5呈其它幾何形狀時，例如橢球面形狀，則從凹表面4到衝擊波的聚焦點O2的距離d可以用已知的一些方法計算(Г.Г.ClЮCaPef著「光學系統計算方法(Memogu reciemaOnmuieckuxCucmeu)」，1937，聯合科技出版社，物理-理論文獻編輯部主編，(列寧格勒-莫斯科)，第577頁)。
因此，在本裝置中，可以利用一套能互相替換的鏡片3，這些鏡片的表面4和5的曲率比值不同，相應地衝擊波的聚焦點O2的位置也就不同，這就簡化了裝置的操作。為了使雷射輻射和衝擊波同時聚焦，鏡片3應該用對雷射輻射透明的，而衝擊波在鏡片凹表面4和透明介質的分界面上的反射係數足夠大的材料來製作，這可用透明介質的波阻Z1和製作鏡片3的固體的波阻Z2來說明。
波阻Z1和Z2通過如下關係式聯繫起來
式中бr-鏡片材料的屈服點，單位為牛頓/米2。
P0-透明介質和鏡片3的界面在衝擊波中受到的最大壓力值，單位為牛頓/米2。
式中ρ1和ρ2-分別為透明介質密度和鏡片3的材料密度，單位為公斤/米2。
C1和C2-分別為透明介質中的聲速和固體中的聲速，單位為米/秒。
L-給定的衝擊波強度的反射係數最小值。
相對於固體波阻Z2解條件式(2)，得
因此，對於任何透明介質(液體或氣體)都可以藉助於包含表徵бr、ρ1、ρ2、C1和C2的數據表，給出一系列滿足限制條件式(3)的材料。首先，衝擊波對鏡片3的作用不會造成鏡片3的損壞，因為波壓的最大值將小於固體材料的可塑性限度，其次，衝擊波的聚焦效率將相當大。
例如，鏡片3可以用火石玻璃、石英玻璃等製作。
在將所推薦的裝置應用於不希望雷射輻射作用於目標上的一些領域的情況下，例如應用於醫學上時，凹表面4和凸表面5各自的主光軸(圖2)相應地相交成一定角度。同時衝擊波的聚焦點O2位於離開雷射輻射的地方，並且可以將雷射輻射屏蔽起來。
圖2所示的衝擊波聚焦裝置中，凸形鏡面5的主光軸位於雷射器1的光軸上，而凹表面4的主光軸與它交成一角度。而且凹表面4的主光軸與凸表面5的主光軸之間的夾角是根據結構要求和放置目標(特別是病人)、儀器等的方便加以選擇的。
圖3示出了衝擊波聚焦裝置的另一種實施方案，根據該方案，鏡片3以其凸表面5對著雷射器1。
和第一種方案一樣，鏡片3的用於雷射輻射的焦點O1也是在鏡片3的凹表面4一側。衝擊波的聚焦點O2將位於鏡片3的與雷射器1相對的另一側。而且為了保證使衝擊波聚焦在距鏡片3的凹表面4為指定距離處，必須滿足如下關係式(表面4和5呈球面形狀時)
(γ R1R2)/(［(1+γ)R1-(1-γ)R2-(1-γ)2L］) =d ，式中R1-凸表面5的曲率半徑，米。
R2-凹表面4的曲率半徑，米。
γ＝n1/n2式中n1和n2-分別為透明介質的折射率和鏡片3的材料的折射率。
L-鏡片3的中心厚度，米。
d-從凹表面4到衝擊波聚焦點O2的指定距離，米。
與第一種方案中一樣，上式是當射線在球形表面折射和反射時，根據阿貝不變式關係得到的。
當表面4和5的幾何形狀為其它樣子時，從凹表面4到衝擊波聚焦點O2的距離d，也和第一種方案時那樣，可以根據已知的一些方法確定(Г.Г.CuЮcaPef著「光學系統計算方法」，1937，聯合科技出版社，物理-理論文獻編輯部主編，(列寧格勒-莫斯科)，第577頁)。
顯而易見，圖1和圖3所示的使雷射輻射和球面衝擊波聚焦用的器件3的實施方案，是用一個元件使雷射輻射聚焦和使衝擊波聚焦這一課題的等效方案，這樣就保證衝擊波聚焦裝置的光學系統得以簡化，從而也簡化了裝置的操作和調整方法。在這兩種情況下，雷射輻射和衝擊波兩者的聚焦情況是由會聚的凹凸鏡片3使雷射輻射聚焦，由鏡片3的凹表面4使衝擊波聚焦。既然所述裝置的兩種方案是等效的，那麼在介紹裝置的第一種方案時所說明的有關製作鏡片3的材料、鏡片3的凹表面4的主光軸(圖2)與凸表面5的主光軸之間的夾角以及利用一套鏡片3的可能性等方案也適用於圖3所示的裝置。
下面根據本發明給出衝擊波聚焦裝置具體實施方案的一些參數。
按圖1實施的衝擊波聚焦裝置紅寶石雷射器-脈衝輻射能量，EЛ-0.2焦耳-脈衝時間，τ-15～20毫微秒透明介質-雙蒸餾水H2O-折射率，n2-1.33-密度，ρ1-103公斤/米3-聲速，C1-1.43×103米/秒-波阻，Z1-1.43×106公斤/(米2·秒)鏡片3的凹表面4對著雷射器1，凸表面5有鏡面鍍層。
鏡片材料-石英玻璃-折射率，n1-1.51-密度，ρ2-2.5×103公斤/米3-聲速，C2-5.6×103米/秒-波阻，Z2-14×106公斤/(米2·秒)-鏡片材料屈服點，бr-7.8×107牛頓/米2-凸表面曲率半徑，R1-6×10-2米-凹表面曲率半徑，R2-2.2×10-2米-鏡片中心厚度，L-0.2×10-2米雷射輻射聚焦在O1點，至鏡片3的凹表面4的距離為2.7×10-2米。球面衝擊波聚焦在O2點，至O1點的距離為4～5毫米，即至凹表面4的距離為2.3～2.2×10-2米。在給定參數EЛ、τ、R1、R2的情況下，液體(雙蒸餾水H2O)和固體鏡片3(石英玻璃)的分界面上的壓力P0達到106牛頓/米2的數量級。
按圖3實施的衝擊波聚焦裝置紅寶石雷射器-脈衝輻射能量，EЛ-0.2焦耳-脈衝時間，τ-15～20毫微秒透明介質-雙蒸餾水H2O-折射率，n1-1.33-密度，ρ1-103公斤/米3-聲速，C1-1.43×103米/秒-波阻，Z1-1.43×106公斤/(米2·秒)鏡片3的凸表面5對著雷射器1。
鏡片材料-石英玻璃-折射率，n2-1.51-密度，ρ2-2.5×103公斤/米3-聲速，C2-5.6×103米/秒-波阻，Z2-14×106公斤/(米2·秒)-鏡片材料屈服點，бr-7.8×107牛頓/米2-凸表面曲率半徑，R1-1.6×10-2米-凹表面曲率半徑，R2-0.15米-鏡片中心厚度，L-0.2×10-2米而且雷射輻射聚焦在至鏡片3的凹表面4的距離為0.142米的O1點。從O1點發出的球面衝擊波被凹表面4聚焦在O2點，至凹表面4的距離等於0.16米。在給定參數EЛ、τ、R1、R2的條件下，液體和固體鏡片3(分別為雙蒸餾水H2O和石英玻璃)的分界面上的壓力P0達到106牛頓/米2數量級。
圖1所示裝置的工作情況如下從雷射器1出發進入槽2的雷射輻射射到鏡片3上以後，從鏡片3的凸形鏡表面5上反射，並聚焦在透明介質中的O1點。其結果在O1點發生來自鏡片3的凹表面4方向的介質的光學擊穿，並形成壓力球面衝擊波。因為鏡片3的凹表面4是使衝擊波聚焦的表面，所以從球面形凹表面4上部分地反射的球面衝擊波聚焦在O2點，該點將位於雷射器1和鏡片3之間。因此雷射輻射的聚焦和球面衝擊波的聚焦是由一個元件-鏡片3實現的，這樣就簡化了裝置的光學系統，從而也簡化了它的操作和調整方法(與按照PCT/DE85/03631實施的裝置的光學系統比較而言)。
圖3所示裝置的工作情況如下雷射輻射到達鏡片3的凸表面5上。由於製作鏡片3的材料對雷射輻射是透明的，所以雷射輻射能通過鏡片3，且被它的兩個表面5和4及它們之間的介質聚焦在透明介質中的O1點。其結果在O1點發生介質的光學擊穿，並形成壓力球面衝擊波。由於鏡片3的凹表面4是使球面衝擊波聚焦的表面，所以球面衝擊波從凹表面4上部分地反射而聚焦在O2點，該點位於鏡片3的凹表面4一側，即與雷射器1相反的一側。
因此在上述衝擊波聚焦裝置實施方案中，雷射輻射的聚焦和衝擊波的聚焦也是由一個元件-鏡片3實現的。
為了改變雷射輻射的聚焦點和球面衝擊波的聚焦點的相對位置，可以利用一套能互相替換的、其表面4、5的曲率半徑比不同的鏡片3，這樣也簡化了裝置的操作。
還可以使用這樣一種鏡片3，它的凹表面4和凸表面5的兩條主光軸(圖2)相交成一定角度。其中包括凸表面5的主光軸與雷射光束軸重合，而凹表面4的主光軸則與其交成一角度。
在這種情況下，介質的光學擊穿將發生在雷射光束軸上，而由此所產生的從凹表面4上反射的球面衝擊波將聚焦在位於雷射輻射區以外的O2點。
本發明的卓有成效的裝置可以應用於醫學，用來進行診斷和用於體外碎石術。
權利要求
1.一種衝擊波聚焦裝置，包括脈衝雷射器(1)，盛有對雷射輻射透明的介質的箱(2)以及用來使雷射輻射和球面衝擊波聚焦的器件(3)，該器件有一個用來聚焦球面衝擊波的表面(4)，該裝置的特徵為用來使雷射輻射和球面衝擊波聚焦的器件(3)是用對雷射輻射透明的材料製成的凹凸鏡片，它的兩個表面(4、5)具有不同的曲率值，而且使球面衝擊波聚焦用的表面(4)呈凹狀。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵為凹表面(4)對著雷射器(1)，而凸表面(5)上有反射雷射輻射的鍍層(6)。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特徵為凸表面(5)對著雷射器(1)。
4.根據上述任意一項權利要求中所述的裝置，其特徵為凹表面和凸表面(4、5)各自的主光軸相交成一定角度。
全文摘要
一種衝擊波聚焦裝置，包括脈衝雷射器1、盛有對雷射輻射透明的介質和箱2以及使雷射輻射和球面衝擊波聚焦的器件3，該器件是由對雷射輻射透明的材料製成的凹凸鏡片，它有兩個曲率半徑不同的表面4、5，而且用來使球面衝擊波聚焦的表面4呈凹狀。在一種方案中，凹表面4對著雷射器1，而凸表面5上有反射雷射輻射的鍍層6。在另一種實施方案中，凸表面5對著雷射器1。
文檔編號A61B17/22GK1050265SQ8910711
公開日1991年3月27日 申請日期1989年9月15日 優先權日1989年9月15日
發明者加麗娜·瓦萊裡亞諾夫娜·德裡墩, 尤裡·伊薩維奇·奧斯特諾夫斯基, 亞歷山大·米哈伊諾維奇·薩姆索諾夫, 尹麗娜·弗拉基米諾芙娜·薩姆諾娃, 芙琳娜·維塔麗芙娜·索古林斯卡亞 申請人:蘇聯科學院A.F.尹奧菲物理技術研究所