半导体激光在学生近视防控中的应用 ①

2021-01-15 03:27姜天岳

佳木斯大学学报（自然科学版） 2021年1期

杜旭, 姜天岳, 李宏

(佳木斯大学a.信息电子技术学院;b.附属第一医院,黑龙江佳木斯 154007)

0 引言

近视是常见眼病，在中国，青少年近视情况呈急剧增长态势[1]，所以，研究出一种安全、有效的方法或仪器对于防控青少年近视具有积极的意义。目前，通过激光技术改善眼角膜屈光度的方法,在临床个案已经得到了成功应用。

在医学上，低能量激光技术的出现[2]，为近视的安全治疗及防控提供了可能。激光医学属于交叉科学，不仅涉及到了工学的电子技术，还包括了生物科学及临床医学等学科领域。对于眼屈光不正这类医学问题，就可以依靠激光医学方法来解决。在某种程度上治疗老视，国际上采用了激光或准分子激光等方法矫治远视[3,4]。Derse M.等发现[5]利用激光的热效应，激光产生的热能可被角膜组织有效吸收，从而使角膜在激光处理区基质胶原纤维长度热收缩,角膜外表面的屈光度增加、角膜中央曲率半径减小。Seiler首先提出，应用脉冲激光[6],角膜浅层皱缩较深层基质明显，基质深部后50微米角膜层范围不会被损伤[4]。

氦氖激光技术出现最早，技术成熟，但是需要高直流电压且波长受限。比较而言，半导体激光器则体积小、可靠性高、功耗低、能发出多种波长的光[7]。文中采用了半导体激光技术来治疗青少年近视，经过实验，表明文中所采用的方法对于青少年近视的改善具有明显作用。

1 半导体激光近视防控仪

半导体激光器是20世纪60年代发展起来的一种激光器，它是以半导体材料为工作物质的激光器，工作物质包含砷化镓、硫化镉等有几十种，主要有光泵式、电注入式、高能电子束激励式三种激励方式。

半导体激光器工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体物质的能带之间，或者半导体物质的能带与杂质能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。半导体激光器具有：体积小、重量轻、成本低、波长可选择的特点，在加工制造、通讯、临床、军事领域有广泛应用[8]。

半导体激光器驱动电流和工作温度影响其输出功率，而输出功率是近视防控应用中的一个重要指标，所以半导体激光器的功率调节是本项目研究的一个重要内容。因为本项目应用场合一般为室内，且每次使用时间较短，所以激光器的温度变化比较小，对输出光功率影响很小，则本项目不需要温度控制电路。

半导体激光器电学特性与常见二极管类似，是由电流驱动。为保证功率的稳定输出，所以要求驱动电流的稳定性要高，因此一般采用恒流源驱动激光器。

1.1 系统模块

针对眼周穴位的不同，在设计中，每只眼睛周围设计安装9只、整体共18只Φ6mm半导体激光器。控制电路主控芯片采用STC单片机，外围电路由PWM恒流驱动模块、LED显示模块、按键模块、电源模块组成。系统结构框图如图1 所示。

系统通过按键可以调节激光管的发射功率和使用时间调节。功率分为高中低三档，定时时间为10、20、30分钟三种并通过LED指示灯进行显示。系统可以使用普通直流电池供电，且提供了MINI-USB电源接口和5V直流电源，可在市电220V电源环境下使用；另外，通用USB接口也可以插接到充电宝上，提高了设备的便捷性，可以随时随地使用。

图1 半导体激光控制电路结构框图

1.2 单片机主控模块

本设计主控芯片采用常见的STC89C52 单片机，其P1.1 口作为PWM 信号的输出端，P0.0、P0.1口连接S1、S2按键模块，外围匹配晶振电路和复位电路。单片机最小系统电路如图2所示。

图2 单片机最小系统

1.3 恒流驱动模块

采用德州仪器公司的TPS54200恒流芯片驱动18只半导体激光器，其具有集成度高的特点，降低独立元件驱动电路的复杂性和不稳定性。为了实现激光功率大小的改变，需改变驱动电流大小，即改变芯片内部与PWM占空比成比例的基准电压。该芯片集成了场效应晶体管，输出电流达1.5A，带锁存、关断功能，具有热和过流等完善的功能。

脉宽调制具有精确度高、可以和数字控制技术相结合、能够通过软件方式实现等优点，其波形如图3所示。PWM输出是由单片机内部定时器产生。当TPS54200芯片开始工作时，PWM电压需高于其阈值电压，在此设定内部基准电压为200mV。由于PWM占空比正比于内部基准电压，因此通过改变PWM占空比即可改变基准电压，从而实现FB引脚输出电压改变。计算经过电阻R6的电流可得出激光器的驱动电流，计算如公式(1)所示：

(1)

其中，IL为激光器驱动电流，VFB为基准参考电压，D为PWM的占空比，R6为采样电阻。当PWM频率过低时，可能会在电压基准处产生较大的纹波，所以单片机PWM输出频率设计为50kHz[9]。