半导体激光脱毛技术发展新趋势

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以下原文发表于《激光世界》,10月刊

作者:杨凯,炬光科技半导体激光事业部专业医美解决方案产品线总监


半导体激光脱毛技术发展新趋势

来自美国的R.Rox Anderson和John A.Parrish博士,在上世纪八十年代初提出了选择性光热理论:根据不同组织的生物学特性,只要选择合适的激光参数(波长、脉冲持续时间、能量),就可以保证在最有效治疗病变部位的同时,把对周围正常组织的损伤降到最小。同时,Anderson和Parrish博士基于该理论引领业界绘制出了靶组织波长吸收图谱(见图1),这让利用光来达到医疗美容的疗效有了指导法则。

在选择性光热理论的诸多应用中,利用激光进行脱毛治疗,无疑是最卓有成效的应用之一。激光的波长精确且具有更强的能量扩展性,医生可根据患者的肤色、毛发颜色、疼痛感知度等,使用合适的波长、合适的能量密度和脉宽等参数的激光来实现脱毛。

半导体激光脱毛技术发展新趋势

图1  光热理论-生物组织吸收曲线

随着激光脱毛技术的不断进步以及人们对美和体验感的追求,人们已不满足于脱毛这一基本诉求,而是转变成对更安全舒适、更有效、更高效的脱毛体验的追求。这就对激光脱毛技术提出了更高要求,同时也推动了该技术的新发展。

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图2  激光脱毛

如何将终端用户所追求的更舒适、更有效、更高效的治疗体验,转化为对设备的要求,又如何将这些要求转化成设计语言融入到产品设计中,就需要产品研发和设计人员参照下面的公式来进行产品的开发,而这个公式也是光电类医美设备的设计指导法则。同时,如何平衡下面公式中各个指标的选择,让开发的设备更满足未来终端用户的需求、更符合终端市场的发展趋势,也成为医美设备制造商的核心竞争力之一。


半导体激光脱毛技术发展新趋势

对于激光脱毛应用来说,能量密度意味着效果,理论上更高的能量密度会带来更好的治疗效果;而峰值功率与成本相关,峰值功率越高,对应的激光器的成本就会越高;光斑面积与治疗效率有关,对于腋下,唇周等较小的治疗区域,输出较小的光斑面积并不会带来治疗效率的低下,但对于腿部,后背等大面积治疗区域来讲,光斑面积越大,治疗效率则会显著提高;脉宽与舒适度以及效果相关,脉宽越短,治疗过程就越舒适,同时当脉宽在10~30ms之内时,治疗效果也会更好。

正是这种对于终端体验的越来越高的要求,促进了美容设备制造商对于仪器设计理念的转变,同时也形成了激光脱毛技术的新趋势。


“高峰值功率+窄脉宽”趋势  

近年来用于激光脱毛的半导体激光器的主流功率,经历了从300W提升到600W,并且正在快速向1200W以上功率转变的过程,这是业内公认的趋势之一。为什么会有这种转变呢?究其根源,还是体现在终端用户对于更有效、更舒适的治疗体验的需求上。

根据上述能量密度公式,在保证能量密度(效果)和光斑面积(效率)不变的前提下,峰值功率越高,就意味着可以将脉宽压缩的更窄。而窄脉宽带来的则是更好的临床效果和更舒适的临床体验。

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图3  激光穿透皮肤至毛囊

在激光脱毛的整个治疗过程中,激光会先穿过表皮层、真皮层等,最后到达毛囊,并破坏毛囊。在这个过程中,我们希望毛囊被更有效地破坏,但与此同时,我们又需要避免皮肤被损伤。这里脉冲宽度就显得尤为重要了。

通常来说,10~30ms被认定为用于脱毛的最佳脉冲宽度。这是由于人体皮肤组织的热弛豫时间一般<10ms, 而富含黑色素的毛囊的热弛豫时间一般在30ms~100ms不等。

在进行激光脱毛时,激光在到达毛囊之前需要先穿过人体皮肤组织,为了避免皮肤被烫伤,那么对应的脉宽就要大于皮肤组织的热弛豫时间,这样皮肤就有了充分的时间来散热,以避免热量累积而烫伤。同时,为了破坏毛囊,又不希望给其充分的时间散热,那么脉冲宽度就要小于毛囊的热弛豫时间,因此10~30ms最终被定义为最佳脉冲宽度。为了在如此窄的脉宽条件下完成脱毛治疗,传统的300~600W峰值功率的激光器已无法达到应有的治疗效果。所以“高峰值功率+窄脉宽”成为未来的发展趋势。同时,在窄脉宽治疗时,皮肤有了充分的时间散热,能量不会过度累积,治疗过程也会更加舒适。

新型激光脱毛设备所需要的激光器功率通常在1200W及以上。因为在这个功率范围内,无论是采用10*10mm还是10*20mm的光斑输出,在10~30ms这个最优脉宽范围内,设备都可以轻松实现10J/cm2以上的脱毛必需的能量密度输出。


“高有效能量”趋势

对于激光脱毛应用来说,在治疗过程中是否有足够多的有效能量注入皮肤并抵达毛囊,进而提升毛囊温度并损伤毛囊是核心。而随着脱毛治疗方式的演变,对于有效脱毛的定义也在发生改变。

在2010年以前,激光脱毛采用的是盖章式脱毛方式,该治疗方式的有效性完全取决于手具出光口面积确定的前提下,单个脉冲的能量值;能量值越高,对应盖章区域的毛囊温度就会被提升的越高,对应的治疗效果也会越好。

在2010年以后,在医美设备领导者飞顿公司的引领下,激光脱毛的治疗方式发生了改变。为了让治疗过程更高效、更舒适,飞顿公司创新引入了滑动式治疗方式,治疗频率常被设定在10Hz。而在采用这种滑动式治疗方式时,只考虑单个脉冲的能量是不够的。为了确保被激光扫描的区域没有遗漏,就需要将单位时间内的脉冲次数也考虑进来,单位时间内注入皮肤的能量越多,到达毛囊的能量也会更多,治疗效果就会更好。

所以,随着激光脱毛治疗方式的改变,有效能量就成为了衡量激光脱毛是否有效的新标准,高有效能量也成为了新的行业趋势。      

有效能量= 峰值功率 × 脉宽 × 频率  

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图4  有效能量概念

新型激光脱毛设备的有效能量通常在每秒钟300J及以上。这是由峰值功率、脉宽和频率三重因素决定的。新型激光脱毛设备的峰值功率通常在1200W及以上,脉冲宽度需要能够达到最优参数中的上限值30ms, 频率需要满足滑动式脱毛所需要的10Hz的要求。


“高光束质量”趋势(无波导技术)

常见的激光脱毛手具方案,采用的是波导化设计,选择该设计的目的是将快速发散的半导体激光器的光束,通过光波导进行匀化和收缩输出。这种设计相对简单,但是会带来穿透深度浅、能量损耗大、手具大且重等问题,会大幅降低临床效果和增加操作者的操作难度。

为解决上述问题,可实现高光束质量的光场匀化技术被引入到激光脱毛领域——无波导技术应运而生。无波导技术具有以下特点:


更深的穿透深度

传统的光波导方式,由于波导出光口的快速收缩会大幅加剧光束的发散,当光束进入皮肤后会横向快速发散和衰减,导致穿透深度减小,使最终到达毛囊的能量明显降低,进而影响脱毛效果。

而无波导技术所使用的激光模组采用光场匀化技术,该技术的核心是通过非球面光场匀化器,对半导体激光器所发射出的光束进行准直与匀化,从而使输出光束具有更深的穿透深度,使更多能量直达毛囊,脱毛效果更优。

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图5  不同类型激光脱毛手具穿透深度对比


更低的能量损耗

传统的光波导技术由于光波导本身的漏光损失、端面损失等,使得整个传输过程中10%左右的能量被损耗。这种能量损失一方面会降低设备的治疗效果,另一方面会使设备的性价比大打折扣。

而无波导技术由于省掉了光波导,规避了这一部分能量损耗,整个传输过程几乎零损耗,大幅提高产品的能量利用率,有效提升治疗效果。

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图6  不同类型激光脱毛手具光损耗对比


更小的手具体积/更轻的手具重量

传统的光波导技术为了将漏光损耗降至最低且确保均匀度,光波导的长度通常都在40~100mm之间,这种硬性的尺寸要求必然会带来整体手具尺寸和重量的增加。而无波导技术由于省掉了光波导,整体手具尺寸大幅减小,同时也会带来重量的减轻。


半导体激光脱毛技术发展新趋势

图7 无波导手具尺寸示意图

同时,随着终端用户对于设备多样性、治疗效果等要求的不断提升,无波导技术也让可变光斑脱毛,真空吸附脱毛成为可能。


炬光科技的解决方案

基于以上市场与技术新趋势,炬光科技Vsilk系列专业级脱毛高功率半导体激光器全面升级,并发布全新中文名称“绮昀“及“绮昀Pro”。全新的产品充分发掘了传导冷却技术的潜力,集先进的无铟化封装工艺、散热结构、微光学设计于一身,实现了有效能量与峰值功率的大幅提升,达到强大性能与轻巧尺寸的精妙融合。

“绮昀”与“绮昀Pro”分别搭载120W和200W高功率巴条芯片,可达到最高1800W输出功率@30%占空比,以及3000W输出功率@10%占空比。

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图8 “绮昀”与“绮昀Pro”专业级脱毛激光器系列

“绮昀”与“绮昀Pro”专业级脱毛激光器的优势:


1.高峰值功率+窄脉宽

脱毛更舒适/更有效——峰值功率和脉宽进一步优化,最高可达3000W@10ms,10Hz。在实现更优脱毛效果的基础上,有效提升治疗过程舒适度。


2.高有效能量

脱毛更有效——单位时间内更多能量注入皮肤并作用于毛囊,如绮昀1800可达到1800W@30ms,10Hz工作参数,有效能量超过每秒钟500J,从而在特定光斑面积下具有更好的治疗效果。

半导体激光脱毛技术发展新趋势

图9,“绮昀”专业级脱毛激光器测试数据

3.高光束质量

脱毛更有效/更高效——全系标配光场匀化器。准直且匀化后的光束可以获得更大的皮肤穿透深度,带来更好的临床效果与效率。


4.高可靠性

采用领先的热管理技术,进一步优化产品设计,大幅提升激光器散热能力;采用全无铟封装技术,可提供两年/无限次脉冲质保。


5.小型化、轻量化

手具设计更小巧——相比前代产品,相同峰值功率条件下,“绮昀”系列产品体积缩小最高可达50%,重量减轻约30%。


依托炬光科技完善的生产与质量管理体系,“绮昀”与“绮昀Pro”专业级脱毛激光器,具有更高的产品可靠性与一致性,并为客户提供两年/无限次脉冲质保。对于客户设备开发过程中遇到的问题,炬光科技提供专业的技术团队协同响应,帮助客户快速定位与解决问题。另外,炬光科技可提供“激光器+电源”解决方案,充分验证的配套电源可让激光器更稳定的运行。

“绮昀”与“绮昀Pro”专业级脱毛激光器,凝聚着炬光科技的智慧与力量。炬光科技一直以“通过技术创新、卓越制造和快速响应,成为全球可信赖的光子应用解决方案提供商”为公司使命。我们研发、生产的解决方案产品在激光医疗健康领域,特别是激光脱毛领域的市场占有率遥遥领先,客户遍布以色列、美国、中国、韩国、意大利等全球市场,产品性能和质量受到客户长期信赖。同时,炬光科技针对市场需求,加强在新应用方向的应用解决方案的研发,不断开拓激光医疗健康新领域,相信将为医美行业带来新体验、新风尚、新发展!


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