光學百科之激光剃鬚 004

02-10

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今天我們聊聊Skarp，了解海外眾籌的朋友肯定都知道Skarp —— 史上「第一個」激光剃鬚刀，Kickstarter籌到400多萬美元被叫停，轉戰INDIEGOGO籌到40多萬美元（campaign結束後，賣到50多萬美元），再三推遲發貨時間，到現在仍遙遙無期，購買者怨聲載道。

這篇文章，我們不聊任何商業上的東西，只聊聊這個東西從光學的角度可行與否。

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激光剃鬚和激光去毛並不一樣。激光去毛是以去掉整個毛囊為主要目的，所以只要不傷到皮膚就可以，而剃鬚是要在保留毛囊、皮膚完整的情況下，剔除掉毛髮，如下圖(gif圖)。

Image Credit：Skarp Technologies

最基礎的情況下，剃鬚的激光要滿足以下2個要求：

1. 因為鬍子的切割面和皮膚基本處於一個平面，因此基本不可能通過改變焦距來區分鬍子和皮膚。所以我們需要皮膚吸收的激光能量不足以損壞皮膚，而毛髮吸收的激光足以切斷毛髮。

2. 激光聚焦後，有足夠的能量切斷毛髮。

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我們來看看第一點。

人的皮膚可以劃分成表皮層、真皮層以及皮下組織，這裡我們只考慮靠近毛髮的表皮層和真皮層（epidermis、dermis）。毛髮的主要元素包含了角蛋白、水、以及黑色素（keratin、water、melanin）。那麼我們看看這幾個物質在不同波長下的吸收率。

【1】

我們可以看到，表皮層、真皮層在波長低於1微米時，吸收率比較高，而角蛋白、水以及黑色素在波長是3微米左右時吸收率比較高，而在短波長時吸收率要小至少兩個數量級。所以，我覺得是可以使用3微米左右的激光來切割毛髮，並且不傷害到皮膚的。當然實際是需要做大量實驗的。

另外，Skarp在他們的專利里也提到了，盡量不要選擇水吸收率高的波長，因為可能第一下沒把鬍鬚切斷，但是水都蒸發了，第二下剔的時候沒了水分就更剃不掉了。

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我們再看看第二點，需要多少能量？下表是頭髮的激光處理闕值，我們可以發現波長越長，所需要的能量密度越低，而且黑髮比金髮有更低的闕值。

【2】

每個人的毛髮粗細都不一樣，這裡我們假設為直徑50微米，那麼在波長為3微米的情況下，切斷一根頭髮所需要的能量是： 18.6 微焦。

我實在找不到，鬍子占皮膚表面密度的數據，以我的剃鬚經驗來講，我假設鬍子的面積只佔到皮膚的5% 。也就是說整個刀面需要均勻覆蓋足夠的能量用於切割，雖然整個刀面只有5%的位置與鬍鬚接觸。

成年男性大概有25000根鬍鬚，也就是說切割這所有鬍鬚所需要的能量是 18.6uj *25000 /5%=9.3J. 我再假設60秒剃完，那就是說這個激光的功率是 9.3J/60s=155mW。

這樣算下來總感覺怪怪的.....

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於是查了下滿足波長在3微米左右,功率在100mW左右的激光，是有laser diode的。雖然功率不是很滿足我們要求，但是多加幾個，以量取勝也是可以的，就是價格太貴了。

【3】

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最後，我覺得激光剃鬚的難點不在於激光的選型（當然要是很貴或者就根本沒有也沒辦法），而主要在如何將激光作用到鬍鬚的根部，Skarp使用光纖來直接作用鬍鬚的設計我覺得是完全不可行的。如下圖，他們打算做一個切面，將光纖的包層和芯裸露在外，成為一個2mm到200mm的切割面。且不說激光如何在這麼長的一個切面上均勻分布並保持較高的強度，僅生產一個這麼長的光纖光滑切面的製作工藝就夠難的了。

【4】

最後波長都替大家選好了，感興趣的朋友可以繼續研究、甚至實驗下。激光剃鬚至少有著百億美元級的市場，說不定你就能成就下一個Braun。

留個坑，後續有時間做個實驗再更新。

【1】Optical properties of hair
【2】Optical properties of human hair
【3】Thorlabs 3.30 μm CWL, 20 mW【4】Patent：US20140276685A1 Laser Shaving