ES2242603T3 - Cabezal de distribucion de energia luminosa. - Google Patents

Abstract

Un cabezal (10) para aplicar energía luminosa a una profundidad seleccionada en un medio de dispersión (18) que tiene una capa externa en contacto físico y térmico con dicho cabezal incluyendo: un conjunto conductor térmico (12) (42) que tiene una superficie emisora de energía; y una pluralidad de elementos emisores de energía óptica (11) montados en dicho conjunto (12) (42) junto a dicha superficie emisora de energía, estando cada elemento en contacto térmico con dicho conjunto y orientado para dirigir energía luminosa a través de dicha superficie, caracterizado porque incluye: una capa conductora térmica transparente (15) (31) (40) sobre dicha superficie y en contacto térmico con ella, estando dicha capa en contacto con dicha capa externa del medio (18) cuando el cabezal le está aplicando energía luminosa; y un mecanismo de enfriamiento (14) para dicho conjunto, que permite que dicho conjunto disipe calor de dichos elementos y dicha capa externa del medio.

Description

Cabezal de distribución de energía luminosa.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a cabezales de distribución de energía luminosa, y más en particular a un cabezal de diodo láser u otro cabezal de distribución de energía luminosa para suministrar energía luminosa a una profundidad seleccionada en un medio, en particular un medio de dispersión, cabezal que proporciona mejor administración del calor para los diodos láser (u otro emisor de energía luminosa) y el medio y/o que utiliza más eficientemente energía luminosa del láser/emisor.

Antecedentes de la invención

Los emisores de energía luminosa, incluyendo láseres, y en particular láseres de diodo semiconductor, lámparas de destellos, lámparas halógenas y otras lámparas de filamento, etc, están encontrando una creciente aplicación en aplicaciones médicas, industriales, de investigación, gubernamentales y otras. Para muchas de estas aplicaciones, la energía luminosa se ha de distribuir a una profundidad seleccionada en un medio de dispersión de luz. A causa de la dispersión, solamente una fracción de la energía luminosa suministrada a la superficie del medio llega a la zona deseada, refractándose del medio gran parte de la energía restante y disipándose en la atmósfera circundante. Con un medio altamente dispersante tal como la piel, se puede perder hasta 50-80 por ciento de la energía incidente debido a este efecto de retrodispersión, que requiere emisores/láseres de energía luminosa más potentes o un número mayor de emisores/diodos láseres (donde se utilizan diodos láser), o que requiere que la energía luminosa sea administrada sobre un área mucho menor, para lograr una fluencia deseada al blanco. La utilización de un cabezal con un emisor/láser más potente o la utilización de un mayor número de emisores/diodos láser y/o más potentes hace que el cabezal sea más grande y más caro y aumenta los problemas de gestión del calor que resultan del uso del cabezal. Concentrar el haz para lograr mayor fluencia con menor tamaño del punto o agujero afecta adversamente a la profundidad en el medio que puede alcanzar la energía luminosa y puede aumentar considerablemente el tiempo requerido para efectuar un procedimiento dado.

El documento US-A-5 820 625 describe un cabezal para aplicar energía luminosa a una profundidad seleccionada en un medio de dispersión que tiene una capa externa en contacto físico y térmico con dicho cabezal incluyendo: un conjunto conductor térmico que tiene una superficie emisora de energía; una pluralidad de elementos emisores de energía óptica montados en dicho conjunto junto a dicha superficie emisora de energía, estando cada elemento en contacto térmico con dicho conjunto y orientado para dirigir energía luminosa a través de dicha superficie; y un mecanismo de enfriamiento para dicho conjunto.

La Patente de Estados Unidos número 5.824.023 de Rox Anderson describe una forma de tratar el problema de reflexión de algunos dispositivos láser u otros emisores de energía luminosa. Sin embargo, la técnica de esta patente también da lugar a pequeños tamaños del punto y no es fácilmente adaptable para uso en algunas aplicaciones, tal como en cabezales de diodos láser. Por lo tanto, se necesita una técnica mejorada para permitir la utilización óptima de la energía luminosa de dispositivos emisores de energía luminosa en general, y de diodos láser o barras de diodos láser de un cabezal de diodo láser en particular, reciclando o reutilizando la luz dispersada de la superficie del medio irradiado y dirigiéndola de nuevo hacia una zona deseada en el medio.

Un problema relacionado implica la administración del calor al utilizar un cabezal de diodo láser, u otro cabezal conteniendo emisores de energía luminosa, y en particular la capacidad de utilizar un elemento de enfriamiento común para enfriar los diodos láser/emisores de energía luminosa y la superficie del medio irradiado. El enfriamiento superficial puede ser necesario en varias aplicaciones, en particular aplicaciones médicas, puesto que la energía láser que se suministra a una profundidad en el medio, por ejemplo la piel del paciente, debe pasar a través de la superficie del medio, por ejemplo la epidermis de la piel del paciente, para llegar a la zona deseada. El calentamiento de la superficie del medio puede producir daño en la superficie si no se prevé un enfriamiento adecuado. Los sistemas de la técnica anterior no han previsto enfriamiento de la superficie del medio o han requerido elementos de enfriamiento separados para los diodos y el medio.

Resumen de la invención

Según lo anterior, esta invención proporciona, en un primer aspecto, un cabezal para aplicar energía luminosa a una profundidad seleccionada en un medio de dispersión que tiene una capa externa en contacto físico y térmico con el cabezal. El cabezal incluye un bloque o conjunto conductor térmico que tiene una superficie emisora de energía; una pluralidad de diodos láser u otros elementos emisores de energía montados en el bloque junto a la superficie emisora de energía, estando cada uno de los elementos en contacto térmico con el conjunto y estando orientado para dirigir energía luminosa a través de la superficie emisora de energía. Se ha previsto una capa conductora térmica fina transparente sobre la superficie fotoemisora y en contacto térmico con ella, estando la capa en contacto con la capa externa del medio cuando el cabezal le está aplicando energía luminosa. Finalmente, se ha previsto para el conjunto un mecanismo de enfriamiento que permite que el conjunto disipe calor de los elementos y la capa externa del medio. En algunas realizaciones, la capa conductora térmica es un recubrimiento formado en la superficie fotoemisora del conjunto.

En las realizaciones preferidas, el cabezal también incluye una capa reflectora formada en la capa conductora térmica, capa reflectora que tiene un agujero formado debajo de cada elemento a través del que se puede aplicar energía luminosa al medio. La capa reflectora está preferiblemente entre la capa conductora térmica y la superficie emisora de energía del montaje/bloque, y tiene preferiblemente un área más grande que el área del bloque. En particular, el área de la capa reflectora podría ser al menos sustancialmente tan grande como el agujero de reflexión de energía luminosa dispersada del medio. Para lograr un coeficiente de amplificación deseado (f) como resultado de la retrorreflexión de la capa reflectora, el agujero a través del que se aplica energía luminosa al medio deberá tener una dimensión mínima

D_{min} = \frac{d}{\sqrt{\frac{f\cdot R\cdot r}{f-1} - 1 }}

donde d es un incremento de la abertura del retrodispersor para una longitud de onda y medio dados, R es el coeficiente de reflexión del medio y r es el coeficiente de reflexión de la capa reflectora.

El bloque para el cabezal de diodo láser puede asumir varias formas. En particular, en algunas realizaciones de la invención, el bloque tiene una depresión formada en él, siendo la superficie emisora de energía la superficie de la depresión, y estando montado cada uno de los elementos en algunas realizaciones para emitir energía luminosa sustancialmente perpendicular a la superficie de depresión al punto donde está montado el elemento. El medio es empujado a la depresión y a contacto con su superficie. El empuje del medio a la depresión se puede llevar a cabo presionando meramente el cabezal contra un medio blando deformable, tal como algunas zonas de la piel de una persona, o se puede prever aspiración, por ejemplo una línea de vacío, para arrastrar la piel u otro medio a la depresión. La depresión puede tener varias formas, incluyendo sustancialmente semicilíndrica o sustancialmente rectangular. Donde el cabezal está siendo utilizado para extracción de vello, por ejemplo, en una persona, la depresión puede ser de un tamaño suficiente para permitir que un solo folículo capilar entre en la depresión en el plano de la depresión rectangular. La capa reflectora también se puede formar y utilizar con cabezales que usan el bloque enfriado para enfriar los diodos u otros emisores de energía luminosa solamente y no para enfriar la superficie del medio, por ejemplo en aplicaciones donde se emplea una capa transparente más gruesa o para cabezales que usan elementos emisores de energía luminosa distintos de barras de diodos láser, por ejemplo lámparas de filamento o tubos de luz alimentados por un componente emisor de luz adecuado. En tales cabezales, la capa reflectora todavía tendría zonas del tipo antes indicado y tendría preferiblemente un agujero emisor con una dimensión mínima D_{min} determinada como se ha indicado antes. En estas realizaciones, la capa transparente podría ser una guía de onda de forma seleccionada, forma que podría ser una forma truncada que, dependiendo del tamaño deseado del agujero, tendría su extremo más grande o más corto junto al bloque. Lados o paredes seleccionados de la guía de onda pueden tener una capa reflectora dependiente de ángulo para atenuar de forma pronunciada la energía luminosa inclinada que entra en la guía de onda.

En otro aspecto de la invención, el cabezal puede incluir al menos un elemento emisor de energía montado para aplicar energía luminosa al medio a través de un agujero, agujero que tiene una dimensión mínima D_{min} definida como se ha indicado anteriormente, y una capa reflectora montada para retrorreflejar energía luminosa retrodispersada del medio. El agujero puede ser circular, siendo D un diámetro del agujero, o sustancialmente rectangular, siendo D la longitud de un lado corto del agujero.

Los anteriores y otros objetos, características y ventajas de la invención serán evidentes por la siguiente descripción más específica de las realizaciones preferidas de la invención como se ilustra en los dibujos anexos.

Dibujos

La figura 1 es una representación semiesquemática, en alzado lateral, parcialmente cortada de un cabezal según una primera realización de la invención.

Las figuras 2A y 2B son vistas en alzado lateral ampliadas de una porción del cabezal representado en la figura 1 para dos especies diferentes del mismo.

La figura 3A es una representación semiesquemática, en alzado lateral, cortada de un cabezal para una primera especie de una segunda realización, siendo la figura 3B una vista ampliada lateral en alzado de una porción del cabezal representado en la figura 3A.

La figura 4 es una representación semiesquemática, en alzado lateral, cortada de una segunda especie de la segunda realización de la invención.

La figura 5A es una representación semiesquemática, en alzado lateral, cortada de una tercera especie de la segunda realización de la invención, siendo la figura 5B una vista en alzado lateral ampliada de una porción de la especie representada en la figura 5A.

La figura 6 es una representación semiesquemática, en alzado lateral, cortada de una primera especie para una tercera realización de la invención.

La figura 7 es una representación semiesquemática, en alzado lateral, cortada de una segunda especie para la tercera realización de la invención.

Las figuras 8 y 9 son representaciones semiesquemáticas, en alzado lateral, cortadas de una tercera y cuarta especie de la tercera realización de la invención.

Las figuras 10A y 10B son representaciones gráficas que ilustran el efecto de retrodispersión para un haz estrecho y otro ancho, respectivamente.

La figura 11 es una representación gráfica de la relación entre un coeficiente para amplificación de irradianza en un medio de dispersión y el diámetro del haz para tres medios que tienen diferentes características de reflexión difusa.

Y la figura 12 es una representación semiesquemática, en alzado lateral, cortada de una cuarta realización de la invención.

Descripción detallada

Con referencia en primer lugar a la figura 1, se representa un cabezal láser 10 que contiene una pluralidad de barras de diodos láser 11, cada una de las cuales incluye una pluralidad de emisores 11A y está montada en una ranura 13 formada en un bloque 12. El bloque 12 se puede formar de uno o varios materiales que tienen buenas propiedades de conducción térmica, y se puede fabricar de varias formas, todos las cuales caen dentro del alcance de esta invención. En particular, el bloque 12 se puede formar de un solo material que, además de tener buenas propiedades de conducción térmica, también es un aislante eléctrico, revistiéndose o chapándose las paredes laterales de las ranuras 13 con un material conductor eléctrico y estando soldadas las barras diodo en las ranuras, formándose un circuito eléctrico entre ranuras adyacentes de manera que pueda fluir corriente a través de los diodos sin cortocircuito a través del bloque 12. Alternativamente, la porción del bloque 12 entre las ranuras 13 se puede fabricar de conjuntos conductores eléctricos fijados de forma adecuada a un sustrato conductor térmico y aislante eléctrico, proporcionando los conjuntos conductores un recorrido eléctrico a través de los diodos y evitando el sustrato aislante los cortocircuitos. También se pueden emplear otras técnicas para obtener un recorrido eléctrico a través de los diodos para permitir su energización selectiva, aunque no proporcionen un recorrido de cortocircuito a través del bloque 12.

El bloque 12 sirve como un disipador térmico para barras diodo 11 y se puede utilizar varias técnicas para eliminar calor del bloque 12. Estas incluyen disponer uno o varios canales a través del bloque 12 y hacer fluir un fluido, que es generalmente agua, pero que puede ser algún otro líquido o gas, a través del canal para eliminar calor del bloque 12. Alternativamente, se puede unir al bloque 12 uno o varios componentes termoeléctricos 14, por ejemplo elementos Peltier, y utilizar para eliminar calor de ellos.

Un elemento transparente 15 al que se ha unido una máscara de alta reflectividad 16, está montado en la parte inferior del bloque 12, estando la máscara 16 preferiblemente entre el bloque 12 y el elemento 15. Para una realización preferida donde el cabezal 10 se utiliza para tratamiento dermatológico, siendo la piel del paciente el medio de dispersión 18, el elemento transparente se forma preferiblemente de zafiro o algún otro material con buen índice de coincidencia con la piel, y es preferiblemente un recubrimiento de zafiro, por ejemplo, de 1 a 2 micras de grosor, o una placa o pastilla de zafiro de, por ejemplo, 1 a 2 mm de grosor. Si el componente 15 es una placa o pastilla, la máscara 16 puede ser un recubrimiento de un material altamente reflector tal como Ag, Cu, Au o un recubrimiento dieléctrico de capas múltiples que se forma usando una tecnología de recubrimiento apropiada conocida en la técnica, tal como litografía, sobre la placa/pastilla 15. Se han formado agujeros 20 (figura 2A) en el recubrimiento 16 debajo de cada emisor de barras de diodos 11A, siendo los agujeros 20 solamente suficientemente grandes para que la luz de las barras diodo pueda pasar sin obstáculos a su través. Es deseable mantener las hendiduras o los agujeros 20 en capa reflectora o máscara 16 lo más pequeños que sea posible porque maximiza la reflectividad de la máscara y por lo tanto, como se explicará más adelante, optimiza la retrorreflexión de energía dispersada de la piel u otros medios 18. Por razones que se explicarán con más detalle más adelante, la capa reflectora 16 deberá tener una huella más grande que el bloque 12 para mejorar más la retrorreflexión de la luz dispersada o energía emitida al medio 18. Puesto que en la realización ilustrativa, la máscara 16 se soporta en una placa o pastilla transparente 15, este componente también tiene un perfil más grande. Alternativamente, la máscara 16 puede ser una chapa fina o pastilla en la que se ha formado hendiduras 20, y el componente transparente 15 puede ser una capa, por ejemplo, de zafiro que tiene un grosor en el rango de 1 a 2 micras que se reviste encima. En este caso, el recubrimiento no tiene que extenderse más allá de las dimensiones de bloque 12; sin embargo, es preferible que este recubrimiento se extienda por toda la dimensión de la máscara 16 para proporcionar una buena adaptación del índice óptico para luz retrorreflejada.

Finalmente, el aparato de la figura 1 incluye una caja 23 conectada al cabezal 10 por líneas eléctricas adecuadas y, donde sea apropiado, tubos (para el agua de refrigeración) 24. La caja 23 puede contener fuentes de alimentación apropiadas para las barras diodos 11, circuitería de control, bombas de fluido donde se utiliza enfriamiento de fluido y otros componentes apropiados. Los componentes específicos contenidos en la caja 23 no forman parte de la presente invención.

El aparato de la figura 1 tiene varias características ventajosas sobre la técnica anterior. En primer lugar, donde el medio 18 es la piel de un paciente que se somete a un procedimiento dermatológico, tal como por ejemplo la extracción de un tatuaje, una mancha de Oporto, vaso sanguíneo, u otro lesión vascular, o extracción de vello, es deseable enfriar la epidermis, la capa superficial de la piel, para evitar que se dañe por calor durante el procedimiento. En la técnica anterior se ha previsto un mecanismo de enfriamiento de la epidermis en particular, y del área superficial de la piel del paciente en general, mecanismo de enfriamiento que está separado y es independiente del mecanismo de enfriamiento utilizado para disipar calor de las barras diodo 11. Estos mecanismos de enfriamiento separados aumentan el tamaño, el peso, la complejidad y el costo del sistema en general, y del cabezal de distribución 10 en particular. La realización de la figura 1 supera estos problemas teniendo a lo sumo unos pocos milímetros de material entre el bloque 12, que es enfriado por componentes termoeléctricos 14, por un fluido circulante, y/o por otros medios adecuados, y la piel del paciente. Además, el zafiro usado típicamente para el componente transparente 15 tiene buenas propiedades de transferencia térmica de manera que el calor de la piel del paciente puede fluir fácilmente al bloque enfriado 12, y este bloque puede servir como un disipador térmico para las barras diodo 11 y la epidermis de la piel del paciente u otra zona superficie de un medio 18 al que se está aplicando energía luminosa. Esta disposición es más compacta, más simple y menos cara que los cabezales de la técnica anterior que realizan la misma función.

Además, como se ilustra en la figura, la energía luminosa emitida de una barra diodo 11 en forma de rayos 26 se dispersa en el medio 18, por ejemplo en la piel del paciente, y al menos parte de esta energía, tal vez el 70 por ciento, dependiendo de la pigmentación de la piel del paciente, se refleja de nuevo y sale de la piel del paciente en cierto ángulo. Sustancialmente toda esta luz choca en la superficie reflectora o máscara 16, y, puesto que esta máscara tiene una reflectividad que se aproxima al 100 por ciento, sustancialmente toda esta energía luminosa es retrorreflejada de nuevo a la piel. Esta retrorreflexión da lugar a aproximadamente 300 por ciento de aumento de la energía luminosa o fluencia que alcanza un blanco a una profundidad seleccionada en la piel del paciente para una fluencia dada emitida por las barras diodo 11. Esto significa que se puede lograr los mismos resultados terapéuticos usando menos barras diodo 11 o barras diodo de energía más baja 11 o que se puede lograr energía más alta, y por lo tanto tratamiento más eficaz, usando el mismo número de barras diodo y de la misma potencia. Así se puede lograr resultados más eficaces para un tamaño, costo y complejidad dados del cabezal de diodo láser.

Además, como se ilustra en la figura 10B, la energía luminosa que entra en el medio de dispersión 18 sobre un agujero de tamaño D, a causa de la divergencia y dispersión del haz, saldrá del medio por un agujero D + d, donde d es un incremento del agujero de retrodispersión y es sustancialmente constante para una longitud de onda del haz y medio dados, independientemente del agujero de entrada D. Esto se ilustra con las figuras 10A y 10B, donde d es sustancialmente el mismo para un haz fino que entra sustancialmente en el medio 18 en un único punto y para un haz ancho que tiene un agujero D. Así, a medida que aumenta el tamaño del agujero D, d es un menor porcentaje del agujero de reflexión D + d. Para un agujero generalmente circular, D y D + d son diámetros, mientras que para un agujero generalmente rectangular, se puede considerar que estos valores son la longitud del lado menor del
rectángulo.

La reflexión por la máscara reflectora 16 puede aumentar varias veces la cantidad de energía que llega a una zona deseada. Este aumento del uso efectivo de energía luminosa se puede describir cuantitativamente por el aumento de iluminación dentro de medio de dispersión 18, siendo este aumento la relación (f) entre la iluminación en un punto deseado arbitrario dentro del medio de dispersión cuando la luz reflejada se hace volver de nuevo al medio (IR) y cuando no (I_{O}) (es decir, f = I_{R}/I_{O}). El valor de f depende del coeficiente de reflectancia R del medio de dispersión 18 y el coeficiente de reflexión de la máscara reflectante 16 (r) que devuelve la luz dispersa de nuevo al medio (es decir, f = 1/1-Rr). Sin embargo, esta dependencia conocida no tiene en cuenta la influencia del agujero del haz D; puesto que el agujero del haz aumenta d como resultado de la dispersión, el coeficiente de amplificación f tiene una fuerte dependencia del agujero D del haz incidente. En particular, según las ideas de esta invención, se ha determinado que cuando se toma en cuenta el agujero del haz, el coeficiente de amplificación f se puede expresar aproximadamente por la ecuación siguiente:

(1)f= \frac{1}{1 - Rr\left(\frac{D/d}{1 + D/d}\right)^{2}}

Usando la ecuación 1 para un medio dado, un reflector dado, y una amplificación de iluminación deseada, se puede determinar un agujero mínimo del haz (D_{min}). D_{min} viene dado generalmente por:

(2)D_{min} = d \cdot \frac{1}{\frac{\sqrt{f \cdot R \cdot r}}{f - 1} - 1}

\vskip1.000000\baselineskip

(3)D_{min} = d \cdot \frac{1}{\sqrt{2 \cdot R \cdot r - 1}}

Para f =2, este mínimo se reduce a

Con piel clara como medio reflectante, y un haz incidente en la red región del espectro, los valores en la ecuación anterior serían R = 0,7 y d = 3 mm. Suponiendo un reflector con r = 0,95 daría lugar a D_{min} = 19,5 mm. Esto sugiere que para la mayoría de las aplicaciones en dermatología por láser, el diámetro del haz u otra dimensión apropiada (D) deberá ser mayor que 20 mm para que la retrorreflexión proporcione amplificación de iluminación deseada. Esto se ilustra en la figura 11, donde (f) se representa como una función de la relación D/d para tres entornos de reflexión, siendo r 0,95 en cada caso, y siendo R igual a 0,2, 0,5 y 0,8, respectivamente. Se ve que, en particular para el medio altamente dispersante que tiene R=0,8, f continúa aumentando con el tamaño creciente del agujero de entrada y puede, con retrorreflexión, proporcionar hasta 3,8 veces la intensidad lograda sin retrorreflexión. Suponiendo que d es igual a 3 mm, un agujero de entrada de 20 mm daría lugar a más de dos veces la iluminación en el blanco que si no se utilizase retrorreflexión, y un agujero más pequeño, por ejemplo D=15 mm, todavía proporcionaría una amplificación significativa. Así, aunque cada barra diodo individual 11 produce un haz que tiene una dimensión en el rango micrométrico, el cabezal 10 se puede diseñar para proporcionar un haz con una dimensión D suficiente para proporcionar una amplificación de iluminación deseada. La superficie reflectora 16 se hace preferiblemente suficientemente grande para cubrir completamente el agujero de reflexión que consta de D + d, pero puede requerir poca o nula extensión más allá del extremo de bloque 12 donde D es grande con relación a d.

La realización representada en la figura 1 proporciona así al menos tres ventajas significativas sobre los cabezales de diodos láser de la técnica anterior. Primera: proporciona un mecanismo muy eficiente para enfriar los diodos láser y la superficie del medio 18 mediante el uso del mismo mecanismo de enfriamiento. Segunda: proporciona un mecanismo simple y efectivo para retrorreflejar luz dispersada del medio 18 sobre todo el agujero de dispersión de tal medio; y tercera: proporciona un agujero de haz que es suficientemente grande para la eficiente amplificación de iluminación como resultado de retrorreflexión a la vez que utiliza fuentes de radiación, por ejemplo barras de diodos láser, que proporcionan individualmente pequeños agujeros de haz en el rango micrométrico.

La figura 2B ilustra una realización alternativa de la invención que puede ser útil en algunas aplicaciones. La realización de la figura 2B difiere de la de la figura 2A en que la capa transparente 15 ha sido sustituida por una lente cilíndrica 31 montada debajo de cada una de las barras de diodo láser 11. Las lentes cilíndricas 31 se pueden soportar en la matriz de formas conocidas en la técnica incluyendo una ménsula de soporte u otra estructura de soporte, que se monta o forma parte del bloque 12 en extremos opuestos de cada lente cilíndrica 31. El bloque 12 también se extiende algo por debajo de la parte inferior de las barras diodo 11 para proporcionar soporte estructural a las lentes 31 y para que el bloque 12 pueda contactar la superficie superior del medio 18 cuando se aplique ligera presión al bloque 12 de manera que el bloque todavía pueda enfriar la superficie del medio. Se forma un recubrimiento reflector 16 en la pared inferior del bloque 12 en todas sus zonas a excepción de las zonas directamente debajo de los emisores de barras diodo 11A, extendiéndose por lo demás el recubrimiento reflector sustancialmente alrededor de toda la pared del rebaje en la que está colocada la lente 31. Dependiendo de su diámetro, una lente 31 puede funcionar para colimar el haz 26 que emana de la barra diodo correspondiente 11 en rayos paralelos, en contraposición a rayos divergentes como se representa en la figura 2A, o para converger tales haces hacia un punto focal que está preferiblemente a la profundidad deseada. Dicha colimación o convergencia del haz 26 reduce los efectos nocivos de la dispersión en el haz, pero no elimina dicha dispersión o reduce considerablemente la necesidad de la superficie reflectora 16.

La figura 3 muestra una realización que difiere de la de la figura 1 en que se requiere fluencia más alta que la proporcionada por las barras diodo solo, incluso con retrorreflexión. Por lo tanto, la energía emitida por la capa transparente 15 se aplica a un concentrador estándar 34A, que puede ser un cono truncado o prisma hueco, pero es preferiblemente un bloque o losa de material que tiene buena coincidencia de índice y buenas propiedades de transferencia de calor al medio 18, para ejemplo, zafiro cuando el medio es piel humana. El concentrador 34A sacrifica el tamaño del agujero para lograr fluencia más alta de manera conocida en la técnica. Sin embargo, el tamaño del agujero se mantiene suficiente para adaptarse a los requisitos especificados en la ecuación (2) anterior para mantener los efectos de amplificación de energía de la retrorreflexión.

La realización de la figura 3 también resuelve un segundo problema porque la luz dispersada se emite de la piel a varios ángulos y vuelve a la piel en general al mismo ángulo en que se recibió. Esto da lugar a una concentración más alta de energía óptica en la superficie de la piel donde se reciben todos los haces y menor energía a profundidad, donde está situado en general el blanco deseado, apareciendo solamente en la superficie haces inclinados de forma pronunciada. Dado que la energía concentrada en la superficie de la piel no cumple ninguna finalidad terapéutica útil y puede producir daño térmico o incomodidad si no se enfría adecuadamente, es deseable reducir o eliminar dichos haces reflejados inclinados de forma pronunciada, aunque sin interferir con haces reflejados a ángulos sustancialmente perpendiculares a la superficie del medio y devueltos a la piel a estos ángulos. Este objetivo se lleva a cabo para la realización de la figura 3 previendo un recubrimiento 32 en las paredes laterales de concentrador 34A, recubrimiento que tiene características de reflexión dependientes de ángulo y puede tener una reflectividad considerablemente más baja que la superficie reflectora 16. Esto significa que los haces inclinados de forma pronunciada que chocan en la superficie 32 se atenúan o eliminan, reduciendo por ello los haces que entran en el medio 18 en un ángulo pronunciado, siendo estos haces solamente nocivos y no produciendo ningún efecto terapéutico útil.

Aunque la realización de la figura 3 tiene las ventajas explicadas anteriormente, también tiene dos desventajas potenciales. Primera: el agujero para recibir radiación reflejada es menor que el agujero (es decir, D + d) de radiación reflejada, de manera que esta realización no recoge toda la radiación reflejada ni la retrorrefleja al medio 18. Esto da lugar a una ligera disminución de la relación de amplificación de intensidad (f) en esta realización; sin embargo, esta desventaja es mitigada por el hecho de que gran parte de la energía perdida en esta realización es energía a ángulos que, aunque retrorreflejados, solamente contribuyen a calentar la superficie del medio 18 y no tienen un efecto terapéutico ni realizan ningún otro trabajo útil en una zona blanco situada a una profundidad seleccionada en el medio. Al ser D mayor que (d) también minimiza esta pérdida. Si se desea, también se podría prever extensiones reflectoras en esta realización para retrorreflejar toda la energía reflejada.

La segunda desventaja es que, dependiendo del grosor del concentrador 34A, el bloque enfriado 12 puede no ser efectivo para enfriar la superficie del medio 18. En particular, el tiempo (t) que tarda en eliminar calor de una losa de material que tiene un lado en buen contacto térmico con la superficie a enfriar, un lado opuesto en buen contacto térmico con el medio de enfriamiento, en este caso el bloque 12, y una distancia o grosor (/) entremedio viene dado por:

(4)t_{-}I^{2}/\alpha

donde \alpha es el coeficiente de conductividad de temperatura de la losa dieléctrica. Donde se está aplicando energía a la losa como sucesivos impulsos láser espaciados un tiempo t_{p}, el grosor de losa l para realizar enfriamiento viene dado en general por:

(5)I < \sqrt{\alpha\cdot t_{p}}

Donde la capa dieléctrica a través de la que se transmite energía óptica y a través de la que se desea efectuar enfriamiento es de zafiro con \alpha máximo = 15 \cdot 10-6 m^{2}/s, y para un intervalo típico entre pulsos de 0,25 s, esto daría lugar al grosor combinado de la capa transparente 15 y el concentrador 34A de menos de 1,9 mm. Por lo tanto, el bloque 12 que se utiliza para enfriar las barras diodo 11 y la superficie de medio 18 no sería normalmente factible cuando se utilice un concentrador 34A y, si se requiere enfriamiento, se lograría normalmente previendo un mecanismo de enfriamiento separado, por ejemplo uno o varios elementos de enfriamiento termoeléctricos 36, en contacto con el concentrador 34A, y preferiblemente cerca de su superficie inferior. Aunque solamente se representa un solo elemento de enfriamiento en la figura 3, se proporcionaría típicamente cuatro o más elementos, espaciados sustancialmente uniformemente alrededor de la periferia del concentrador 34A, para realizar su enfriamiento uniforme.

Las figuras 4 y 5 ilustran dos realizaciones adicionales de la invención que difieren de la representada en la figura 3 solamente en que, en la figura 4, la losa 34B es un expansor en vez de un concentrador, mientras que en la figura 5, la losa 34C tiene paredes paralelas para no funcionar como un concentrador o un expansor. Por lo tanto, las losas 34A, 34B y 34C permiten usar un bloque único 12 con barras diodo 11, capa transparente 15 y capa reflectora 16 para lograr varios niveles de fluencia programables. La realización de la figura 4 es ventajosa porque permite recoger y reciclar más luz dispersa emitida por la superficie de medio 18 que las otras realizaciones, teniendo la realización de la figura 5 capacidades intermedias de recogida de luz dispersa. Las tres realizaciones pueden tener paredes laterales reflectoras dependientes de ángulo 32 para reducir o eliminar sustancialmente la luz emitida a ángulos pronunciados. Aunque la reflexión reducida de las superficies 32 puede ser uniforme, es preferible que la reflectancia de estas superficies sea dependiente del ángulo de manera que la luz que choque en estas superficies a ángulos más pronunciados se atenúe más intensamente, mientras que la luz que choque en estas superficies a ángulos más pequeños, y por lo tanto la luz casi más emitida de la superficie en una dirección perpendicular, se atenúe mucho menos, o en otros términos se refleje más plenamente. Además, la superficie reflectora 16 en todas las realizaciones también puede ser dependiente de ángulo, reflejando más fuertemente luz que entra a ángulos sustancialmente perpendiculares que luz que entra a ángulos más pronunciados. Aunque esto se puede lograr con un recubrimiento de capa única, se logra preferiblemente con un recubrimiento de capas múltiples.

Las figuras 6-8 ilustran varias especies de otra realización de la invención donde el bloque 12 es sustituido por un bloque 42 en el que se ha formado un rebaje 44. Se han formado ranuras 13 en una configuración seleccionada alrededor del perímetro del rebaje 44. En particular, con referencia a la figura 6, en el bloque 42A se ha formado un rebaje semicilíndrico 44A, estando dispuestas ranuras 13 en las que se han montado barras diodo 11 en una configuración semicircular alrededor de la periferia del rebaje 44A, siendo cada ranura 13 y barra diodo 11 sustancialmente perpendiculares a la circunferencia del rebaje 44A (es decir, sustancialmente paralelas a radios) en el punto de la circunferencia donde están situadas. Parte del medio 18 adyacente al rebaje 44A se sube y pone en contacto con la superficie transparente 15 formada dentro del rebaje. El medio se puede poner en el rebaje 44A presionando el bloque 42A contra un medio relativamente blando 18, por ejemplo piel en algunas zonas, para empujar la piel al rebaje, o se puede prever una fuente de vacío, junto a las barras cerca del medio del rebaje o entre tales barras, para aspirar la piel al rebaje. También se puede emplear otras técnicas para empujar la piel u otros medios 18 al rebaje 44A, además de o en lugar de una o varias de las dos técnicas mencionadas anteriormente. Finalmente, en la porción inferior del bloque 42A fuera del rebaje 44A se ha formado un recubrimiento reflector dependiente de ángulo 32, reflejando esta superficie parte de la luz de nuevo a la piel en una zona donde se puede dispersar al rebaje
44A.

Para la realización de la figura 6, la zona deseada para la energía luminosa estaría aproximadamente en los focos de las barras diodo, que en general sería un punto cerca del centro inferior del rebaje 44A. La luz reflejada por la piel antes de llegar a dicha zona deseada sería reflejada típicamente de nuevo al rebaje y en último término devuelta al blanco dando lugar a una relación muy alta de aumento de iluminación (f) con esta realización.

La figura 7 ilustra una realización que difiere de la de la figura 6 en la que el rebaje 44A en el bloque 42A, en lugar de tener meramente una capa transparente fina 15, tiene un bloque transparente o lente 40 con un rebaje rectangular estrecho 48 formado en la lente cilíndrica 40. Las ranuras 13 y las barras diodo 11 montadas en ellas están a un ángulo ligeramente mayor para tener un enfoque cerca de la mitad superior del rebaje 48. La realización de la figura 7 está especialmente adaptada para aplicaciones de extracción de vello donde un pliegue de piel que tiene un solo folículo capilar en el plano de la figura (puede haber varios folículos del cabello en el rebaje 48 a lo largo de la longitud del rebaje) está en el rebaje 48 en un tiempo dado. Normalmente se necesitará vacío para arrastrar dicho pliegue de piel al rebaje 48. En cuanto a la realización de la figura 6, esta realización da lugar a una alta concentración de luz, incluyendo luz reflejada de la superficie reflectora 16 que llega al punto deseado en el rebaje 48. Este efecto se mejora más previendo en la superficie inferior de la lente cilíndrica 40 un recubrimiento altamente reflector 49 que evita que salga luz de la lente al medio 18. Así, se aplica a la zona deseada sustancialmente 100 por ciento de la luz producida por barras diodo 11 en esta realización de la invención, no perdiéndose virtualmente nada de energía a dispersión.

La figura 8 es similar a la figura 6 a excepción de que el rebaje 44B en el bloque 42B tiene una sección transversal rectangular en vez de una sección transversal semicircular, y las ranuras 13 son perpendiculares a las paredes del rebaje 44B en los puntos donde están situadas. Aunque esta realización no da lugar a un enfoque de la luz en un único punto como en las realizaciones de las figuras 6 y 7, da lugar a una alta concentración de energía luminosa en el rebaje 44B que se aplica al medio movido al rebaje por presión, vacío, u otros medios adecuados.

La realización de la figura 9 es similar a la de la figura 1 a excepción de que en vez de extenderse porciones para las capas 15 y 16, hay extensiones flexibles 52 en cada extremo del bloque, formándose en las extensiones un recubrimiento reflector dependiente de ángulo 32. Se puede usar vacío para arrastrar parte del medio 18 a la zona debajo del bloque 12 y las extensiones 52 para proporcionar mejor radiación de una zona deseada en esta región o debajo de ella. Las secciones laterales 52 con recubrimiento reflector dependiente de ángulo son más eficaces al dirigir energía luminosa en la región (d) (figura 10B) a la zona deseada que las pestañas de la figura 1.

Aunque no se ha mencionado específicamente anteriormente, las realizaciones de las figuras 6-9 también pueden utilizar la técnica de enfriamiento de la figura 1 donde se utiliza el bloque 12 y/o el bloque 42 para enfriar barras diodo 11 y para enfriar la superficie de la piel u otros medios 18. La realización de la figura 7 no es tan efectiva para lograr este objeto como algunas de las otras realizaciones.

Aunque en las realizaciones antes descritas, las barras diodo se han montado en el bloque 12 del cabezal 10, en algunas aplicaciones se podría montar adecuadamente otros emisores de luz, por ejemplo lámparas de filamento tal como lámparas halógenas, en el bloque 12 en lugar de las barras diodo. También se podrían lograr muchas de las ventajas de esta invención si un tubo de luz que recibe luz de un láser u otra fuente emisora de luz sustituye a cada barra diodo 11 en las varias realizaciones. Por ejemplo, la figura 12 muestra un cabezal 10' que difiere del representado en la figura 1 en el que se pasa luz de un láser u otro emisor de energía luminosa de potencia y longitud de onda adecuadas a través de un tubo de luz en las líneas 24 a una red de tubos de luz 60 en el bloque 12, habiendo una pluralidad de tubos de luz 60 detrás de cada tubo de luz mostrado para proporcionar sustancialmente la misma configuración de emisión de luz que para la pluralidad de emisores 11A de cada barra diodo 11. El tamaño mínimo de agujero D para lograr una amplificación seleccionada (f) de retrorreflexión también es aplicable sustancialmente a cualquier láser u otro cabezal emisor de energía luminosa usado en un medio de dispersión, incluyendo los representados en las varias patentes y solicitudes anteriores incluyendo 5.595.568; 5.735.844; 5.824.023, y la solicitud número de serie 09/078055, cuya figura 4, por ejemplo, muestra un cabezal que se puede usar al llevar a la práctica las ideas de esta invención, pero que difiere de la figura 12 en que los tubos de luz están inclinados para enfocar la energía luminosa. Donde se utilizan tubos de luz, la capa transparente o el elemento pueden no ser necesarios, y el recubrimiento reflector 16 se puede aplicar directamente a la superficie inferior del bloque 12, disponiéndose agujeros en el recubrimiento debajo de cada tubo de luz.

Además, la capa transparente 15 está espaciada preferiblemente al menos varias micras, por ejemplo 50-100 micras, de las barras diodo como protección contra cortocircuitos de las barras láser, y este espacio se puede llenar con aire u otro gas, o con un líquido o material sólido aislante que sea transparente al menos en las zonas debajo de los agujeros o hendiduras en la capa reflectora 16. En esta realización, la separación puede ser tal que el enfriamiento del medio del bloque 12 ya no sea posible.

Se ha descrito así una invención, incluyendo varias realizaciones y varias especies de cada realización, que en algunas realizaciones proporciona un mecanismo de enfriamiento más simple de la superficie de un medio que experimenta un láser u otro procedimiento de energía óptica y que también proporciona un uso más óptimo, y en algunos casos sustancialmente óptimo, de la energía luminosa producida por barras de diodo láser, u otra fuente de energía óptica, incluso cuando la luz está siendo suministrada a un medio altamente dispersante, diseñando el dispositivo para proporcionar un agujero de entrada adecuado y mecanismos adecuados para retrorreflejar dicha luz. Además, aunque se han descrito varias realizaciones y sus especies, es evidente que éstas se ofrecen a efectos ilustrativos solamente y que también se podría emplear otros mecanismos similares o equivalentes. Así, aunque la invención se ha mostrado y descrito con detalle anteriormente con referencia a las realizaciones preferidas y especies, los expertos en la técnica pueden hacer cambios en lo anterior y otros cambios en la forma y detalle sin apartarse del alcance de la invención, que se ha de definir solamente por las reivindicaciones anexas.

Claims (24)

1. Un cabezal (10) para aplicar energía luminosa a una profundidad seleccionada en un medio de dispersión (18) que tiene una capa externa en contacto físico y térmico con dicho cabezal incluyendo:

un conjunto conductor térmico (12) (42) que tiene una superficie emisora de energía; y

una pluralidad de elementos emisores de energía óptica (11) montados en dicho conjunto (12) (42) junto a dicha superficie emisora de energía, estando cada elemento en contacto térmico con dicho conjunto y orientado para dirigir energía luminosa a través de dicha superficie, caracterizado porque incluye:

una capa conductora térmica transparente (15) (31) (40) sobre dicha superficie y en contacto térmico con ella, estando dicha capa en contacto con dicha capa externa del medio (18) cuando el cabezal le está aplicando energía luminosa; y

un mecanismo de enfriamiento (14) para dicho conjunto, que permite que dicho conjunto disipe calor de dichos elementos y dicha capa externa del medio.

2. Un cabezal (10) según la reivindicación 1, incluyendo una capa reflectora (16) en dicha capa conductora térmica (15), teniendo dicha capa reflectora (16) un agujero (20) formado en la misma debajo de cada elemento (11) a través del que se puede aplicar energía luminosa a dicho medio (18).

3. Un cabezal (10) según la reivindicación 2, donde dicha capa reflectora (16) tiene un área más grande que el área de dicho conjunto (12) (42).

4. Un cabezal (10) según la reivindicación 2 o 3, donde el área de dicha capa reflectora (16) es al menos sustancialmente tan grande como un agujero de reflexión para energía luminosa dispersada de dicho medio (18).

5. Un cabezal (10) según cualquier reivindicación anterior, donde se aplica energía luminosa a dicho medio (18) a través de un agujero, donde hay un coeficiente de amplificación deseado f como resultado de la retrorreflexión de dicha capa reflectora (16), donde el medio (18) y la capa reflectora (16) tienen coeficientes de reflexión R y r respectivamente, y donde el valor mínimo D_{min} para una dimensión D del agujero es

D min = d \cdot \frac{1}{\left(\frac{\sqrt{f \cdot R \cdot r}}{f - 1}\right)- 1}

6. Un cabezal (10) según la reivindicación 5, donde dicho agujero es sustancialmente circular, y donde D es el diámetro del agujero.

7. Un cabezal (10) según la reivindicación 5, donde dicho agujero es sustancialmente rectangular y D es la longitud de un lado corto de dicho agujero.

8. Un cabezal (10) según cualquier reivindicación anterior, donde dicho conjunto (42) tiene una depresión (44A) formada en el mismo, siendo dicha superficie emisora de energía la superficie de dicha depresión, estando montado cada uno de dichos elementos (11) para emitir energía luminosa sustancialmente perpendicular a la superficie de la depresión en el punto de ella donde está montado el elemento, pudiendo ser empujado dicho medio (18) a dicha depresión (44A) y a contacto con su superficie.

9. Un cabezal (10) según la reivindicación 8, donde dicha depresión es de forma sustancialmente semiesférica.

10. Un cabezal (10) según la reivindicación 8, donde dicha depresión es de forma sustancialmente rectangular.

11. Un cabezal (10) según cualquier reivindicación anterior, donde dicha capa conductora térmica (15) es un recubrimiento formado en dicha superficie fotoemisora.

12. Un cabezal (10) según cualquier reivindicación anterior, donde cada elemento (11) es una barra de diodo láser.

13. Un cabezal (10) según cualquier reivindicación anterior incluyendo una capa reflectora (16) que cubre todas las porciones de dicha superficie a excepción de cada porción seleccionada de dicha superficie a través de la que se dirige energía luminosa, retrorreflejando dicha capa reflectora (16) energía luminosa dispersada de dicho medio.

14. Un cabezal (10) según la reivindicación 13, donde cada elemento emisor de energía óptica (11) incluye una guía de luz que se extiende al menos en parte a través de dicha estructura de dicha superficie y conectada ópticamente para recibir energía luminosa de un componente emisor de luz.

15. Un cabezal (10) según la reivindicación 14, donde dicho componente emisor de luz es uno de un láser, una lámpara de destellos y una lámpara de filamento.

16. Un cabezal (10) según la reivindicación 13, 14 o 15, donde cada elemento emisor de energía (11) incluye un emisor de energía luminosa montado en dicha capa conductora térmica (15) (31) (40) para emitir su energía luminosa mediante la porción correspondiente seleccionada de dicha superficie.

17. Un cabezal (10) según la reivindicación 16, donde cada emisor (11) está montado junto a, pero espaciado de, dicha superficie, estando dicha capa reflectora (16) en al menos un lado de dicha capa conductora térmica transparente (15) (31) (40).

18. Un cabezal (10) según la reivindicación 16 o 17, donde dicha capa reflectora (16) tiene un área más grande que el área de dicha superficie.

19. Un cabezal (10) según cualquier reivindicación anterior, donde dicha capa conductora térmica (15) es una guía de onda (34) de una forma seleccionada.

20. Un cabezal (10) según la reivindicación 19, incluyendo una capa reflectora dependiente de ángulo (32) en paredes seleccionadas de dicha guía de onda para atenuar de forma pronunciada la energía luminosa inclinada que entra en la guía de onda.

21. Un cabezal (10) según la reivindicación 19 o 20, donde dicha forma seleccionada es una pirámide truncada, estando adyacente a dicho conjunto (12) uno de un extremo más grande y un extremo más corto de una pirámide.

22. Un cabezal (10) según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 21, donde dicha capa conductora térmica (15) es un recubrimiento formado en dicha superficie fotoemisora.

23. Un cabezal (10) según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 22, donde dicho emisor (11) es uno de una barra de diodo láser y una lámpara de filamento.

24. Un cabezal (10) según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 23, donde dicho conjunto (42A') tiene una depresión (44A) formada en el mismo, siendo dicha superficie emisora de energía la superficie de la depresión (44A), estando adaptada la capa conductora térmica transparente (40) para llenar dicha depresión, estando formado un rebaje estrecho (48) en dicha capa conductora térmica, dirigiendo dichos elementos emisores de energía óptica (11) energía luminosa a dicha superficie para enfocar luz a un punto en dicho rebaje (48).