JP2014216538A - Solid-state laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体レーザー装置に関する。 The present invention relates to a solid-state laser device.
レーザーなどの光源から生体等の被検体に光を照射し、入射した光に基づいて得られる被検体内の情報を画像化する光イメージング装置の研究が医療分野で積極的に進められている。この光イメージング技術の一つとして、PAT(Photo Acoustic Tomography:光音響トモグラフィー)がある。PATでは、光源から発生したパルス光を被検体に照射し、被検体内で伝搬、拡散したパルス光のエネルギーを吸収した被検体内の組織から発生した音響波を検出する。この音響波発生現象を光音響効果と呼び、光音響効果により発生した音響波を光音響波と呼ぶ。 Research on an optical imaging apparatus that irradiates a subject such as a living body with light from a light source such as a laser and images information in the subject obtained based on incident light has been actively promoted in the medical field. One of such optical imaging techniques is PAT (Photo Acoustic Tomography). In PAT, a subject is irradiated with pulsed light generated from a light source, and acoustic waves generated from tissue in the subject that absorbs the energy of pulsed light that has propagated and diffused in the subject are detected. This acoustic wave generation phenomenon is called a photoacoustic effect, and an acoustic wave generated by the photoacoustic effect is called a photoacoustic wave.
腫瘍などの被検部位は、その周辺組織に対して光エネルギーの吸収率が高いことが多いため、周辺組織よりも多くの光を吸収して瞬間的に膨張する。この膨張の際に発生する光音響波を音響波検出器で検出し、受信信号を得る。この受信信号を数学的に解析処理することにより、被検体内の、光音響効果により発生した光音響波の音圧分布を画像化できる(以下、光音響画像と呼ぶ)。このようにして得られる光音響画像を基にして、被検体内の光学特性分布、特に、吸収係数分布を取得できる。これらの情報は、被検体内の特定物質、例えば血液中に含まれるグルコースやヘモグロビンなどの定量的計測にも利用できる。近年、PATを用いて小動物の血管像をイメージングする、あるいは、乳がんなどの診断に応用することを目的とした光音響画像装置の研究が積極的に進められている。 A test site such as a tumor often absorbs more light than the surrounding tissue and expands instantaneously because the absorption rate of light energy is often higher than that of the surrounding tissue. A photoacoustic wave generated during the expansion is detected by an acoustic wave detector to obtain a received signal. By mathematically analyzing the received signal, the sound pressure distribution of the photoacoustic wave generated by the photoacoustic effect in the subject can be imaged (hereinafter referred to as a photoacoustic image). Based on the photoacoustic image obtained in this way, the optical characteristic distribution in the subject, particularly the absorption coefficient distribution, can be acquired. Such information can also be used for quantitative measurement of a specific substance in the subject, for example, glucose or hemoglobin contained in blood. In recent years, research on a photoacoustic imaging apparatus aimed at imaging a blood vessel image of a small animal using PAT or applying it to diagnosis of breast cancer or the like has been actively promoted.
グルコースやヘモグロビン等の生体内物質は、入射する光の波長によりその吸収率が異なる。したがって、波長の異なる光を照射し、吸収係数分布の差分を解析することにより、生体内の物質の分布をより正確に測定できる。一般に、照射光には500nm〜1200nmの波長を持つ光が使用される。特に、メラニンや水の吸収を避ける必要がある場合は、入射光には波長700nm〜900nmの近赤外光が用いられる。 In vivo substances such as glucose and hemoglobin have different absorption rates depending on the wavelength of incident light. Therefore, the distribution of the substance in the living body can be measured more accurately by irradiating light having different wavelengths and analyzing the difference in the absorption coefficient distribution. Generally, light having a wavelength of 500 nm to 1200 nm is used as irradiation light. In particular, when it is necessary to avoid absorption of melanin or water, near infrared light having a wavelength of 700 nm to 900 nm is used as incident light.
アレキサンドライトレーザーは、上記の波長範囲において利得帯域を有する、波長可変な固体レーザーである。アレキサンドライト結晶の利得は温度依存性があり、結晶温度が高いほど利得が大きいことが知られている(非特許文献1)。そこで、60°Cから80°C程度の温水を循環してアレキサンドライト結晶を加熱することで高利得化を図ることが行われている。一方、一般に、結晶の励起に用いるフラッシュランプは水冷が必要である。そのため、ランプの水冷のために、30°Cから40°C程度の水を循環することが行われている。結晶用の水の循環とランプ用の水の循環を独立に設ける例は特許文献1で開示されている。また、レーザー結晶をヒーターで加熱する例は特許文献2で開示されている。 The alexandrite laser is a tunable solid-state laser having a gain band in the above wavelength range. It is known that the gain of alexandrite crystals is temperature-dependent, and the gain increases as the crystal temperature increases (Non-patent Document 1). Therefore, high gain is achieved by heating the alexandrite crystals by circulating hot water of about 60 ° C. to 80 ° C. On the other hand, in general, a flash lamp used for crystal excitation needs water cooling. For this reason, water of about 30 ° C. to 40 ° C. is circulated for cooling the lamp. An example in which the circulation of water for crystallization and the circulation of water for lamps are independently provided is disclosed in Patent Document 1. An example of heating a laser crystal with a heater is disclosed in Patent Document 2.
特許文献1のように結晶用の水の循環とランプ用の水の循環を独立に設けた場合、それぞれに温度調整機構や循環のためのポンプが必要であり、装置が大型化、高コスト化するといった課題がある。また、水によってレーザー結晶を加熱する場合は100°C以上にすることはできず、さらなる高利得化には限界がある。また、特許文献2は、共振方向に沿って半導体レーザーによる励起光を結晶に照射するものであり、フラッシュランプ励起のように結晶の側面から励起光を照射するものには適応できない。 When the circulation of water for crystallization and the circulation of water for lamps are provided independently as in Patent Document 1, a temperature adjustment mechanism and a pump for circulation are necessary for each, and the apparatus becomes large and expensive. There is a problem to do. Further, when the laser crystal is heated with water, the temperature cannot be raised to 100 ° C. or higher, and there is a limit to further increasing the gain. Further, Patent Document 2 irradiates the crystal with excitation light from a semiconductor laser along the resonance direction, and cannot be applied to an apparatus that irradiates excitation light from the side surface of the crystal, such as flash lamp excitation.
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、高効率で安定したレーザー発振が可能なフラッシュランプ励起の固体レーザー装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a flash lamp-pumped solid-state laser device capable of high-efficiency and stable laser oscillation.
本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
レーザー光を出力する共振器と、
前記共振器内部に配置された固体レーザー媒質と、
前記レーザー媒質に励起光を照射するフラッシュランプと、
前記レーザー媒質の少なくとも一部を覆うように設けられた、前記レーザー媒質を加熱する加熱手段と、
を有する固体レーザー装置である。
The present invention employs the following configuration. That is,
A resonator that outputs laser light;
A solid-state laser medium disposed inside the resonator;
A flash lamp for irradiating the laser medium with excitation light;
A heating means for heating the laser medium provided to cover at least a part of the laser medium;
Is a solid-state laser device.
本発明によれば、高効率で安定したレーザー発振が可能なフラッシュランプ励起の固体レーザー装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a flash lamp-pumped solid-state laser device capable of high-efficiency and stable laser oscillation.
以下に図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態について説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状およびそれらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, and relative arrangements of the components described below should be changed as appropriate according to the configuration of the apparatus to which the invention is applied and various conditions. It is not intended to limit the following description.
本発明は、固体レーザー装置に適用できる。本発明はまた、パルスレーザー照射により被検体から発生した光音響波を取得し、被検体内の特性情報を生成する被検体情報取得装置に適用できる。
以下、本発明に係る固体レーザー装置の各構成要素と、レーザー出力の仕組みについて説明する。
The present invention can be applied to a solid-state laser device. The present invention can also be applied to an object information acquisition apparatus that acquires photoacoustic waves generated from an object by pulse laser irradiation and generates characteristic information in the object.
Hereinafter, each component of the solid-state laser device according to the present invention and the mechanism of laser output will be described.
(レーザー媒質)
レーザー媒質は、フラッシュランプからの励起光を吸収して所望の波長の光を発する。
以下の実施例ではアレキサンドライト結晶を用いた例を示しているが、そのほかの結晶であってもよい。
(Laser medium)
The laser medium absorbs excitation light from the flash lamp and emits light having a desired wavelength.
In the following examples, examples using Alexandrite crystals are shown, but other crystals may be used.
(フラッシュランプ)
フラッシュランプは、レーザー媒質の励起光となる光を発する。フラッシュランプは通常、寿命の観点から、30°Cから40°Cの水を循環することで水冷されている。
(Flash lamp)
The flash lamp emits light that serves as excitation light for the laser medium. The flash lamp is usually cooled with water by circulating water at 30 ° C. to 40 ° C. from the viewpoint of life.
(加熱手段)
加熱手段は、レーザー媒質を加熱する。加熱手段は、レーザー媒質の少なくとも一部を覆うように設置されている。
ひとつの形態では、加熱手段が励起光に対して透明であり、励起光は加熱手段を通過してレーザー媒質に照射される。加熱手段として例えば、石英ガラスにITOもしくはZnOを主体とする抵抗膜を成膜したものや、レーザー媒質の側面に直接抵抗膜を成膜したものを使用できる。励起光に対する加熱手段の透過率は75%以上であることが望ましい。これより透過率が小さいと、所望の出力のレーザー光を得るために、フラッシュランプの投入電力を大きくしたり、レーザー媒質を過度に加熱したりする必要があり現実的でない。なお、この形態であっても、必ずしも加熱手段がレーザー媒質全体を覆う必要はない。また、加熱手段の抵抗膜は、必ずしもガラス全体を覆う必要はない。
(Heating means)
The heating means heats the laser medium. The heating means is installed so as to cover at least a part of the laser medium.
In one form, a heating means is transparent with respect to excitation light, and excitation light passes through a heating means and is irradiated to a laser medium. As the heating means, for example, a quartz glass with a resistance film mainly composed of ITO or ZnO, or a resistance film directly formed on the side surface of a laser medium can be used. The transmittance of the heating means for the excitation light is desirably 75% or more. If the transmittance is smaller than this, it is not practical because it is necessary to increase the input power of the flash lamp or excessively heat the laser medium in order to obtain laser light with a desired output. Even in this form, the heating means does not necessarily need to cover the entire laser medium. Further, the resistance film of the heating means does not necessarily need to cover the entire glass.
また、別の形態では、加熱手段がレーザー媒質の一部を覆っており、励起光は加熱手段で覆われていない領域を通してレーザー媒質に照射される。この場合の加熱手段は励起光に対して透明である必要はない。レーザー媒質を通過した光を再びレーザー媒質に戻すため、加熱手段の表面が、レーザー媒質を励起する波長の光に対して高い反射率もしくは高い拡散反射率を有する材料で覆われていることが望ましい。例えば、アルミナなどの白色のセラミックを表面に配置することが好適である。 In another embodiment, the heating means covers a part of the laser medium, and the excitation light is irradiated to the laser medium through a region not covered with the heating means. In this case, the heating means does not need to be transparent to the excitation light. In order to return the light that has passed through the laser medium to the laser medium again, it is desirable that the surface of the heating means is covered with a material having a high reflectance or a high diffuse reflectance with respect to light having a wavelength that excites the laser medium. . For example, it is preferable to arrange a white ceramic such as alumina on the surface.
(ランプチャンバー)
ランプチャンバーは、フラッシュランプからの光を効率よくレーザー媒質に伝達させる。ランプチャンバーは、中空構造で、内部にフラッシュランプおよびレーザー媒質が配置される。ランプチャンバーの表面は、拡散反射率の高い材料(例えば硫酸バリウムなど)、または反射率の高い金属(例えば金など)で覆われている。その他、マセライト(日本コークス工業株式会社の登録商標)などのセラミックを中空構造に加工したものでもよい。
(Lamp chamber)
The lamp chamber efficiently transmits light from the flash lamp to the laser medium. The lamp chamber has a hollow structure in which a flash lamp and a laser medium are arranged. The surface of the lamp chamber is covered with a material having a high diffuse reflectance (for example, barium sulfate) or a metal having a high reflectance (for example, gold). In addition, ceramics such as macerite (registered trademark of Nippon Coke Kogyo Co., Ltd.) may be processed into a hollow structure.
(アウトプットカップラ)
アウトプットカップラは、共振器内部の光の一部を共振器外部に取り出し、残りを共振器内部に戻す。アウトプットカップラは、所望の波長の光に対して適切な反射率を有するミラーで構成される。
(Output coupler)
The output coupler extracts part of the light inside the resonator to the outside of the resonator and returns the rest to the inside of the resonator. The output coupler is composed of a mirror having an appropriate reflectance for light of a desired wavelength.
(波長選択手段)
波長選択手段は、所望の波長の光を選択的に共振させる。波長選択手段は、光学軸が板面に平行になるように加工された単軸結晶(例えば石英)からなる1枚の複屈折板もしくは複数の複屈折板で構成される。またはプリズムの波長分散を利用したものでもよい。
(Wavelength selection means)
The wavelength selection means selectively resonates light having a desired wavelength. The wavelength selection means is composed of one birefringent plate or a plurality of birefringent plates made of a uniaxial crystal (for example, quartz) processed so that the optical axis is parallel to the plate surface. Or what uses the wavelength dispersion of a prism may be used.
(リアミラー)
リアミラーは、共振器内部の光を反射して共振器内部に戻す。リアミラーは、一般に、95%以上の反射率を有する誘電体多層膜によって構成される。
(Rear mirror)
The rear mirror reflects light inside the resonator and returns it to the inside of the resonator. The rear mirror is generally composed of a dielectric multilayer film having a reflectance of 95% or more.
(電力制御手段)
電力制御手段は、測定手段からの出力に応じて前記加熱手段への投入電力を調整し、温
度測定手段からの出力を一定に保つように制御する。
(Power control means)
The power control means adjusts the input power to the heating means in accordance with the output from the measurement means, and performs control so as to keep the output from the temperature measurement means constant.
(温度測定手段)
温度測定手段は、レーザー媒質もしくは加熱手段の温度を測定する。温度測定手段は例えばサーミスタなどで構成される。
(Temperature measuring means)
The temperature measuring unit measures the temperature of the laser medium or the heating unit. The temperature measuring means is composed of, for example, a thermistor.
(光量測定手段)
光量測定手段は、レーザー共振器の外部に設けられ、レーザー出力(光量)をモニターする。
(Light intensity measuring means)
The light quantity measuring means is provided outside the laser resonator and monitors the laser output (light quantity).
(波長検知手段)
波長検知手段は、波長選択手段が選択する波長を検知する。波長選択手段の状態(例えば位置や角度など)と波長とに相関がある場合は、その状態を検知するものであってもよい。
(Wavelength detection means)
The wavelength detection means detects the wavelength selected by the wavelength selection means. When there is a correlation between the wavelength selection means state (for example, position and angle) and the wavelength, the state may be detected.
(装置全体の制御)
フラッシュランプによる光照射、波長選択手段の動作、温度測定手段による計測、光量測定手段によるモニター、波長検知手段による計測などは、制御回路等のハードウェアや、各種の制御が予めプログラムされたソフトウェアによって制御される。ハードウェア制御の場合、各構成要素の制御回路や、それらに動作タイミングを制御する回路を含めて、レーザー装置全体の制御手段と考えてもよい。またソフトウェア制御の場合、CPU等の情報処理装置や、その上で動作するソフトウェアを含めて制御手段と考えてもよい。制御にあたっては、所定のフローやタイミングチャートに従い、各構成要素の動作が連動して実行される。またその際に、作業者からの数値設定や動作指示に関する入力を受け付け、動作に反映してもよい。また、装置全体の制御の中に、上述の電力制御手段による投入電力の調整を含めてもよい。
より詳細な構成については、以下の実施例の中で述べる。
(Control of the entire device)
Light irradiation by the flash lamp, operation of the wavelength selection means, measurement by the temperature measurement means, monitoring by the light quantity measurement means, measurement by the wavelength detection means, etc. are performed by hardware such as a control circuit or software in which various controls are pre-programmed. Be controlled. In the case of hardware control, a control circuit for each component, including a control circuit for each component and a circuit for controlling the operation timing thereof, may be considered as control means for the entire laser apparatus. In the case of software control, an information processing device such as a CPU and software operating on the information processing device may be considered as control means. In the control, the operation of each component is executed in conjunction with each other according to a predetermined flow or timing chart. Further, at that time, input regarding numerical setting or operation instruction from the operator may be received and reflected in the operation. In addition, adjustment of input power by the above-described power control unit may be included in the control of the entire apparatus.
A more detailed configuration will be described in the following examples.
<第1の実施例>
図1は本発明のレーザー装置の第1の実施例を説明する模式図である。図1(a)は、共振方向に平行な面での断面図を、図1(b)は、共振方向に垂直な面での断面図を示している。
<First embodiment>
FIG. 1 is a schematic view for explaining a first embodiment of the laser apparatus of the present invention. FIG. 1A shows a cross-sectional view in a plane parallel to the resonance direction, and FIG. 1B shows a cross-sectional view in a plane perpendicular to the resonance direction.
(装置の構成)
図中、符号101は直径6.25mmの円柱状のアレキサンドライト結晶からなるレーザー媒質である。符号103は加熱手段であり、内径8.5mmの石英ガラス管105と、石英ガラス管105の表面全体に成膜されたITO薄膜からなる抵抗膜107で構成される。抵抗膜107は、シート抵抗が約150Ωになるように膜厚が調整されている。加熱手段103の可視光の透過率は概ね75から80%である。符号109は抵抗膜107の両端に設けられたAlからなる電極である。図中示されていないが、電極109は、電流源と電気的に接続されている。抵抗膜107に所望の電流を流すことで石英ガラス管105は120°C程度にまで加熱され、石英ガラス管105の内部に設けられたレーザー媒質101も同程度の温度にまで加熱される。
(Device configuration)
In the figure,
符号113はフラッシュランプであり、石英からなるガラス管115内に配置されている。図中示されていないが、フラッシュランプ113はパルス電源と接続されており、励起光を発する。符号117は冷却水である。図中示されていないが、ガラス管115はポンプおよび恒温槽と接続されており、冷却水117は約40°Cに調整されて循環している。符号111はランプチャンバーであり、内壁は硫酸バリウムからなる拡散反射材で覆われている。フラッシュランプ113から発せられた励起光は、ランプチャンバー111
の表面で拡散反射され、加熱手段103を透過してレーザー媒質101に到達する。
Is diffusely reflected on the surface of the laser beam, passes through the heating means 103 and reaches the
符号119は筐体である。レーザー媒質101および加熱手段103は、耐熱性に優れた弗素樹脂からなる支持部材121、123によって筐体119に固定されている。また、ガラス管115は冷却水117をシールするシール材125、127によって筐体119に固定されている。フラッシュランプ113は筐体119に支持されており、両端に設けられたゴム製のOリング129、131によって密閉されている。
符号133は、99%の反射率を有するリアミラーである。符号135は、50%の反射率を有するアウトプットカップラである。符号137は3枚の複屈折板からなる波長選択手段である。波長選択手段137が複屈折板に垂直な軸を中心に回転することで、所望の波長の光のみを選択的に透過させられる。
(装置の動作)
このような装置の動作例を説明する。フラッシュランプ113には、エネルギー70J、パルス幅150μsのパルスを印加した。波長選択手段137の選択波長を750nm、レーザー媒質の温度を約120°Cに設定した。この場合、パルスエネルギー約200mJのレーザー光が得られた。
また別の動作例では、ランプへの投入エネルギーは同じで、波長選択手段133の選択波長を780nm、レーザー媒質の温度を約135°Cに設定した。この場合、パルスエネルギー約200mJのレーザー光が得られた。
(Device operation)
An operation example of such an apparatus will be described. A pulse having an energy of 70 J and a pulse width of 150 μs was applied to the
In another example of operation, the input energy to the lamp is the same, the wavelength selected by the
(効果)
本実施例においては、加熱手段103の存在により、アレキサンドライト結晶を100°C以上の高温にできるので、高利得化が可能となる。そのため、温水を用いた方式に比べ、少ない投入電力で大きいレーザー出力を得られる。また、高利得領域を用いることから、パルスごとのレーザー出力のばらつきを低減できる。さらに、温水の循環機構が不要になるので装置の小型化が可能となる。以上より本発明によれば、高効率で安定したレーザー発振が可能となる。
(effect)
In the present embodiment, the presence of the heating means 103 allows the alexandrite crystal to be heated to a high temperature of 100 ° C. or higher, so that a high gain can be achieved. Therefore, a large laser output can be obtained with a small input power compared to a method using warm water. Further, since the high gain region is used, it is possible to reduce variations in laser output for each pulse. Furthermore, since a warm water circulation mechanism is not required, the apparatus can be miniaturized. As described above, according to the present invention, highly efficient and stable laser oscillation is possible.
本実施例による固体レーザーをPAT装置に適応する場合、解像度の観点からパルス幅は100ns以下であることが望ましい。パルス幅を狭くするには、レーザー共振器中にポッケルスセルを挿入して、ポッケルスセルに印加する高電圧のON/OFFを切り替えることでジャイアントパルスを発生する、いわゆるQスイッチ構造にすればよい。 When the solid-state laser according to this embodiment is applied to a PAT apparatus, the pulse width is desirably 100 ns or less from the viewpoint of resolution. In order to narrow the pulse width, a so-called Q switch structure may be adopted in which a Pockels cell is inserted into the laser resonator and a giant pulse is generated by switching ON / OFF of a high voltage applied to the Pockels cell.
(変形例)
本実施例においては、図2(a)のようなパターンの抵抗体を設けた加熱手段を用いた。しかし抵抗膜の形状はこれに限られない。例えば、図2(b)〜図2(d)に示すように、抵抗膜が存在しない領域を設けてもよい。これにより、励起光の透過率のさらなる向上が期待できる。図2(b)の構造は製造が比較的容易である。一方、共振方向に一定で円周方向に周期性を持った構造となるのでレーザー光の高次モード発振を誘発する可能性がある。図2(c)、図2(d)では、共振方向に伝搬する際に利得が平均化される効果がある。
(Modification)
In this example, a heating means provided with a resistor having a pattern as shown in FIG. However, the shape of the resistive film is not limited to this. For example, as shown in FIGS. 2B to 2D, a region where no resistive film is present may be provided. Thereby, the further improvement of the transmittance | permeability of excitation light can be anticipated. The structure of FIG. 2B is relatively easy to manufacture. On the other hand, since the structure is constant in the resonance direction and periodic in the circumferential direction, there is a possibility of inducing higher-order mode oscillation of the laser light. 2C and 2D, there is an effect that the gain is averaged when propagating in the resonance direction.
さらに、本実施例では、レーザー共振器内に波長選択手段を設けた例を示したが、当該手段を設けなくてもよい。この場合、最も利得の大きい波長域である755nm付近で発振するが、結晶温度向上による高利得化の効果があることは言うまでもない。 Further, in the present embodiment, an example in which the wavelength selecting means is provided in the laser resonator is shown, but the means may not be provided. In this case, oscillation occurs in the vicinity of 755 nm, which is the wavelength region with the largest gain, but it goes without saying that there is an effect of increasing the gain by improving the crystal temperature.
<第2の実施例>
図3は本発明のレーザー装置の第2の実施例を説明する模式図である。第1の実施例と
共通する部分の説明は省略し、同じ図番を付加する。第1の実施例との違いは、温度制御機構を備えている点である。
<Second embodiment>
FIG. 3 is a schematic view for explaining a second embodiment of the laser apparatus of the present invention. The description of the parts common to the first embodiment is omitted, and the same drawing numbers are added. The difference from the first embodiment is that a temperature control mechanism is provided.
図3中、符号201は電流制御が可能な電流源(制御手段に相当)であり、電気配線205、207を介して加熱手段103に電流を注入する。符号203はサーミスタからなる温度測定手段であり、センサー部は加熱手段103の内壁に固定されている。
In FIG. 3,
本実施例では、温度測定手段からの出力に応じて加熱手段への投入電力を制御することで、レーザー媒質101の温度を一定に保つことが可能となる。例えば、測定された温度が所定の値より低ければ加熱を行い、所定値に達した時点で加熱を停止する。また、所定値との差に応じて、加熱の程度を制御してもよい。このような制御の結果、レーザー出力を安定化できる。
In this embodiment, the temperature of the
<第3の実施例>
図4は本発明のレーザー装置の第3の実施例を説明する模式図である。第1の実施例と共通する部分の説明は省略し、同じ図番を付加する。第1の実施例との違いは、レーザー出力制御機構を備えている点である。
<Third embodiment>
FIG. 4 is a schematic view for explaining a third embodiment of the laser apparatus of the present invention. The description of the parts common to the first embodiment is omitted, and the same drawing numbers are added. The difference from the first embodiment is that a laser output control mechanism is provided.
図4中、符号241は電流制御が可能な電流源(制御手段に相当)であり、電気配線205、207を介して加熱手段103に電流を注入する。符号243はビームサンプラーであり、レーザー光を取り出す。ビームサンプラー243で取り出されたレーザー光はパイロエレクトリックセンサーからなる光量測定手段245によって検出される。
In FIG. 4,
アレキサンドライト結晶の利得と温度の間には、温度が上昇すると利得が上昇するという、単調増加の関係がある。したがって、レーザー出力を増やしたい場合は結晶温度を上昇、減らしたい場合は結晶温度を低下させればよい。 There is a monotonically increasing relationship between the gain and temperature of the alexandrite crystal, where the gain increases as the temperature increases. Therefore, the crystal temperature may be increased when the laser output is increased, and the crystal temperature may be decreased when the laser output is decreased.
よって、本実施例では、光量測定手段からの出力に応じて加熱手段への投入電力を制御することで、レーザー出力を一定に保つことが可能となる。例えば、測定された光量が所定の値より低ければ結晶温度を上昇させるために加熱を行い、所定値に達した時点で加熱を停止する。このような制御の結果、レーザー出力を安定化できる。 Therefore, in this embodiment, it is possible to keep the laser output constant by controlling the input power to the heating means in accordance with the output from the light quantity measuring means. For example, if the measured light quantity is lower than a predetermined value, heating is performed to increase the crystal temperature, and heating is stopped when the predetermined value is reached. As a result of such control, the laser output can be stabilized.
<第4の実施例>
図5は本発明のレーザー装置の第4の実施例を説明する模式図である。第1の実施例と共通する部分の説明は省略し、同じ図番を付加する。第1の実施例との違いは、レーザー出力モニターが不要なレーザー出力安定化機構を備えている点である。
<Fourth embodiment>
FIG. 5 is a schematic view for explaining a fourth embodiment of the laser apparatus of the present invention. The description of the parts common to the first embodiment is omitted, and the same drawing numbers are added. The difference from the first embodiment is that a laser output stabilization mechanism that does not require a laser output monitor is provided.
図5中、符号261は電流制御が可能な電流源(制御手段に相当)であり、電気配線205、207を介して加熱手段103に電流を注入する。符号263は波長検知手段であるところの回転ステージであり、波長選択手段137の角度を検出する機能も有している。波長選択手段137の角度と透過する波長の関係はほぼ線形な関係であり、角度をモニターすればレーザー光の波長を把握できる。
波長選択手段137の角度(すなわち発振波長)と所望のレーザー出力を得るための結晶温度の関係は予め測定されテーブル化されている。
In FIG. 5,
The relationship between the angle of the wavelength selection means 137 (that is, the oscillation wavelength) and the crystal temperature for obtaining a desired laser output is previously measured and tabulated.
本実施例では、波長検知手段からの出力(角度情報)に応じて、上記テーブルを利用して加熱手段への投入電力を制御することで、波長を変化させた場合でもレーザー出力を一定に保つことが可能となる。このような制御の結果、レーザー出力を安定化できる。したがって、波長可変レーザーを用いた複数波長による測定結果に基づき、被検体内の物質の濃度分布を求める場合に特に有効である。 In this embodiment, the laser output is kept constant even when the wavelength is changed by controlling the input power to the heating means using the table according to the output (angle information) from the wavelength detecting means. It becomes possible. As a result of such control, the laser output can be stabilized. Therefore, it is particularly effective when obtaining the concentration distribution of the substance in the subject based on the measurement results of a plurality of wavelengths using a wavelength tunable laser.
<第5の実施例>
図6は本発明のレーザー装置の第5の実施例を説明する模式図である。第1の実施例と共通する部分の説明は省略し、同じ図番を付加する。第1の実施例との違いは、レーザー媒質に直接加熱機構が付いている点である。
図6(a)は、共振方向に平行な面での断面を、図6(b)は、共振方向に垂直な面での断面図を示している。
<Fifth embodiment>
FIG. 6 is a schematic view for explaining a fifth embodiment of the laser apparatus of the present invention. The description of the parts common to the first embodiment is omitted, and the same drawing numbers are added. The difference from the first embodiment is that the laser medium has a direct heating mechanism.
6A shows a cross section along a plane parallel to the resonance direction, and FIG. 6B shows a cross section along a plane perpendicular to the resonance direction.
図中、符号301は直径6.25mmの円柱状のアレキサンドライト結晶からなるレーザー媒質である。符号303は加熱手段であり、レーザー媒質301の表面全体に成膜されたITO薄膜からなる抵抗膜307で構成される。抵抗膜307は、シート抵抗が約150Ωになるように膜厚が調整されている。符号309は抵抗膜307の両端に設けられたAlからなる電極である。図中示されていないが、電極309は、電流源と電気的に接続されている。抵抗膜307に所望の電流を流すことでレーザー媒質301は120°C程度にまで加熱される。符号311はランプチャンバーであり、内壁は硫酸バリウムからなる拡散反射材で覆われている。フラッシュランプ113から発せられた励起光は、ランプチャンバー311の表面で拡散反射され、加熱手段303を透過してレーザー媒質301に到達する。
In the figure,
符号319は筐体である。レーザー媒質101は、耐熱性に優れた弗素樹脂からなる支持部材321、323によって筐体319に固定されている。また、ガラス管115は冷却水117をシールするシール材125、127によって筐体319に固定されている。フラッシュランプ113は筐体319に支持されており、両端に設けられたゴム製のOリング129、131によって密閉されている。
本実施例では、レーザー媒質に直接加熱手段が付いていることから、加熱した際の応答特性が早いという利点がある。したがって、加熱手段がレーザー媒質を高温にすることで高利得が得られるという効果が早く発揮される。そして、レーザー出力のばらつきの低減、装置の小型化、高効率で安定したレーザー発振という利点はそのまま享受できる。 In this embodiment, since the heating means is directly attached to the laser medium, there is an advantage that the response characteristic when heated is quick. Therefore, the effect that a high gain is obtained when the heating means raises the temperature of the laser medium is quickly exhibited. The advantages of reducing variations in laser output, downsizing the apparatus, and highly efficient and stable laser oscillation can be enjoyed as they are.
<第6の実施例>
図7は本発明のレーザー装置の第6の実施例を説明する模式図である。第1の実施例と共通する部分の説明は省略し、同じ図番を付加する。
図7(a)は、共振方向に平行な面での断面を、図7(b)は、共振方向に垂直な面での断面図を示している。
<Sixth embodiment>
FIG. 7 is a schematic view for explaining a sixth embodiment of the laser apparatus of the present invention. The description of the parts common to the first embodiment is omitted, and the same drawing numbers are added.
FIG. 7A shows a cross section in a plane parallel to the resonance direction, and FIG. 7B shows a cross section in a plane perpendicular to the resonance direction.
図中、符号401は直径6.25mmの円柱状のアレキサンドライト結晶からなるレーザー媒質である。符号403は加熱手段であり、電熱線を埋め込んだ酸化アルミニウムの焼結体で構成されている。加熱手段403は、フラッシュランプ113が存在する側を除いてレーザー媒質401を取り囲むように配置されている。図中示されていないが、加熱手段403は、電流源と電気的に接続されている。符号411はランプチャンバーであり、内壁は硫酸バリウムからなる拡散反射材で覆われている。
In the figure,
符号419は筐体である。レーザー媒質401は、耐熱性に優れた弗素樹脂からなる支持部材421、423によって筐体419に固定されている。また、ガラス管115は冷却水117をシールするシール材125、127によって筐体419に固定されている。フラッシュランプ113は筐体419に支持されており、両端に設けられたゴム製のOリング129、131によって密閉されている。
加熱手段403の内壁とランプチャンバー411の内壁とがほぼ連続して繋がるように
それぞれの形状が定められている。フラッシュランプ113から発せられた励起光は、ランプチャンバー411の表面で拡散反射され、レーザー媒質401に到達する。また、加熱手段403の内壁に当たった光もその表面で拡散反射され、レーザー媒質401に到達する。
Each shape is determined so that the inner wall of the heating means 403 and the inner wall of the
このような装置の動作例を説明する。フラッシュランプ113には、エネルギー70J、パルス幅150μsのパルスを印加した。波長選択手段133の選択波長を750nm、レーザー媒質の温度を約120°Cに設定した。この場合、パルスエネルギー約150mJのレーザー光が得られた。
また別の動作例では、ランプへの投入エネルギーは同じで、波長選択手段133の選択波長を780nm、レーザー媒質の温度を約135°Cに設定した。この場合、パルスエネルギー約150mJのレーザー光が得られた。
An operation example of such an apparatus will be described. A pulse having an energy of 70 J and a pulse width of 150 μs was applied to the
In another example of operation, the input energy to the lamp is the same, the wavelength selected by the
本実施例によれば、光を透過しないヒーターによるレーザー媒質の加熱と、フラッシュランプ光によるレーザー媒質の励起を両立可能なレーザー装置を提供できる。 According to the present embodiment, it is possible to provide a laser device capable of both heating the laser medium with a heater that does not transmit light and exciting the laser medium with flash lamp light.
<第7の実施例>
図8は本発明のレーザー装置の第7の実施例を説明する模式図である。第6の実施例と共通する部分の説明は省略し、同じ図番を付加する。第6の実施例との違いは、筺体を不要にして小型化を可能にしている点である。
図8(a)は、共振方向に平行な面での断面を、図8(b)は、共振方向に垂直な面での断面図を示している。
<Seventh embodiment>
FIG. 8 is a schematic view for explaining a seventh embodiment of the laser apparatus of the present invention. Descriptions of parts common to the sixth embodiment are omitted, and the same drawing numbers are added. The difference from the sixth embodiment is that the housing is not required and miniaturization is possible.
8A shows a cross section along a plane parallel to the resonance direction, and FIG. 8B shows a cross section along a plane perpendicular to the resonance direction.
図中、符号501は直径6.25mmの円柱状のアレキサンドライト結晶からなるレーザー媒質である。符号503は加熱手段であり、電熱線を埋め込んだ酸化アルミニウムの焼結体で構成されている。加熱手段503は、フラッシュランプ513が存在する側を除いてレーザー媒質501を取り囲むように配置されている。図中示されていないが、加熱手段503は、電流源と電気的に接続されている。符号511はランプチャンバーであり、内壁は硫酸バリウムからなる拡散反射材で覆われている。
In the figure,
レーザー媒質501は、耐熱性に優れた弗素樹脂からなる支持部材521、523によって加熱手段503もしくはランプチャンバー511に固定されている。また、符号515は石英からなるガラス板であり、ガラス板515は冷却水517をシールするシール材527によってランプチャンバー511に固定されている。このシール材527はガラス板515の全周に設けられている。フラッシュランプ513はランプチャンバー511に支持されており、両端に設けられたゴム製のOリング529、531によって密閉されている。
The
加熱手段503の内壁とランプチャンバー511の内壁とがほぼ連続して繋がるようにそれぞれの形状が定められている。フラッシュランプ513から発せられた励起光は、ランプチャンバー511の表面で拡散反射され、レーザー媒質501に到達する。また、加熱手段503の内壁に当たった光もその表面で拡散反射され、レーザー媒質501に到達する。
Each shape is determined so that the inner wall of the heating means 503 and the inner wall of the
本実施例においては、第6の実施例に比べ小型化に適している。 This embodiment is suitable for downsizing compared to the sixth embodiment.
<第8の実施例>
図9は本発明のレーザー装置の第8の実施例を説明する模式図である。第7の実施例と共通する部分の説明は省略し、同じ図番を付加する。第7の実施例との違いは、フラッシュランプを2本にしている点である。
図9(a)は、共振方向に平行な面での断面を、図9(b)は、共振方向に垂直な面での断面図を示している。
<Eighth embodiment>
FIG. 9 is a schematic view for explaining an eighth embodiment of the laser apparatus of the present invention. Description of the parts common to the seventh embodiment is omitted, and the same drawing numbers are added. The difference from the seventh embodiment is that there are two flash lamps.
FIG. 9A shows a cross section along a plane parallel to the resonance direction, and FIG. 9B shows a cross section along a plane perpendicular to the resonance direction.
図中、符号601は断面が1辺7mmの正方形である角柱状のアレキサンドライト結晶からなるレーザー媒質である。符号603は加熱手段であり、電熱線を埋め込んだ酸化アルミニウムの焼結体で構成されている。加熱手段603は、レーザー媒質601を上下から加熱可能なように配置されている。図中示されていないが、加熱手段603は、電流源と電気的に接続されている。符号511、611はランプチャンバーであり、内壁は硫酸バリウムからなる拡散反射材で覆われている。
In the figure,
レーザー媒質601は、耐熱性に優れた弗素樹脂からなる支持部材621、623によって加熱手段603もしくはランプチャンバー511、611に固定されている。また、符号515、615は石英からなるガラス板であり、ガラス板515、615は冷却水517、617をシールするシール材527、627によってランプチャンバー511、611に固定されている。このシール材527、627はガラス板515、615の全周に設けられている。フラッシュランプ513、613はランプチャンバー511、611に支持されており、両端に設けられたゴム製のOリング529、531、629、631によって密閉されている。
The
加熱手段603の内壁とランプチャンバー511、611の内壁とがほぼ連続して繋がるようにそれぞれの形状が定められている。フラッシュランプ513から発せられた励起光は、ランプチャンバー511の表面で拡散反射され、レーザー媒質601に到達する。フラッシュランプ613から発せられた励起光は、ランプチャンバー611の表面で拡散反射され、レーザー媒質601に到達する。加熱手段603の内壁に当たった光もその表面で拡散反射され、レーザー媒質601に到達する。
Each shape is determined so that the inner wall of the heating means 603 and the inner walls of the
本実施例においては、第7の実施例に比べ、励起が2本のフラッシュランプで行われるので、レーザー光の高出力化が可能である。また、左右対称な構造になるのでモード安定性に優れたレーザー光を得ることができる。 In the present embodiment, as compared with the seventh embodiment, excitation is performed by two flash lamps, so that the output of laser light can be increased. In addition, since the structure is symmetric, laser light with excellent mode stability can be obtained.
<第9の実施例>
図10に本発明によるレーザー装置を光音響画像装置に組み込んだ例を示す。
図中、符号1001は第1の実施例で示したアレキサンドライト結晶を用いたレーザー装置である。1003はバンドルファイバで構成された光伝送手段であり、符号1005は光照射手段である。符号1007は被検体、符号1009および1011は被検体を挟んで保持する保持板である。保持板1009および1011は、例えば、厚さ10mmのポリメチルペンテン樹脂で構成されている。
<Ninth embodiment>
FIG. 10 shows an example in which the laser device according to the present invention is incorporated in a photoacoustic image apparatus.
In the figure,
符号1013は、素子が2次元アレイ状に配置されている音響波検出器である。符号1006は光照射手段105より発せられた照射光である。音響波検出器1013の前面で被検体1007に照射光1006が当たるように、光照射手段1005の内部に設けられた図中不図示の光学系、例えばレンズなどで照射面積が調整されている。また、音響波検出器1013と保持板1011の間には音響波を伝搬しやすくするため水が充填されている(図中不指示)。
本実施例では、レーザー装置1001は、波長域740nmから780nmの範囲で波長ごとに最適なレーザー媒質の温度を設定することで、パルス幅約80nsec、パルスエネルギー約200mJのレーザー光を発振可能な構成である。
音響波検出器1013としては、素子サイズ2mm角、素子ピッチ2mm、中心検出周波数1MHzの圧電素子からなるトランスデューサを横10個、縦15個の2次元アレイ状
に並べたものを用いている。
In this embodiment, the
As the
音響波検出器1013で受信された時系列の受信信号は、信号処理部1015によって、例えばディレイアンドサム(DelayandSum)アルゴリズムを用いて被検体内部の特性情報に変換される。また、被検体内部での特性情報の分布に基づき画像データが生成される。そして、光音響画像をディスプレイ(図中不指示)に表示することでオペレーターが観察可能となる。ここで、レーザー装置全体の制御手段となる情報処理装置が存在する場合、その情報処理装置を信号処理部として動作させてもよい。
A time-series received signal received by the
この光音響画像は被検体内部の音圧分布を表しており、音圧分布は光の吸収率に比例するので、2つの波長の光を用いて取得した2つの光音響画像を比較、演算すれば、被検体内部で吸収率の波長依存が大きい部位と、波長依存が小さい部位を識別できる。 This photoacoustic image represents the sound pressure distribution inside the subject, and since the sound pressure distribution is proportional to the light absorption rate, two photoacoustic images acquired using light of two wavelengths are compared and calculated. For example, it is possible to discriminate a site where the wavelength dependence of the absorption rate is large and a site where the wavelength dependence is small within the subject.
この例では、被検体1007として、生体模擬サンプル(ファントム)を、生体表面から30mmの深さに配置する。サンプルとして具体的には、酸化型ヘモグロビン及び還元型ヘモグロビンを含んだ血管を模擬したチューブを使用する。まず、レーザー装置1001の発振波長を750nmにして繰り返し周波数10Hzでサンプルにレーザー光を照射して光音響画像を取得する。次に、発振波長を780nmに切り替えてり替えて光音響画像を取得する。取得した2つの光音響画像を比較、演算した結果、酸化型ヘモグロビンの濃度の差を可視化することが可能になる。
In this example, a living body simulation sample (phantom) is arranged as a subject 1007 at a depth of 30 mm from the surface of the living body. Specifically, a tube simulating a blood vessel containing oxidized hemoglobin and reduced hemoglobin is used as the sample. First, a laser beam is irradiated to a sample at a repetition frequency of 10 Hz with an oscillation wavelength of the
本実施例において上記のようにPATにより得られた特性情報に基づき光音響画像を生成する際に、本発明にかかる高利得なレーザー装置が用いられる。そのため高効率で光音響波を発生可能である。また、光音響波の強度から初期音圧値を算出する際には、被検体内の光吸収体などの被検部位における光量値を用いる。ここで、本発明においてはレーザー装置から出力される光強度が安定しているため、光吸収体などの位置での光量推定の精度が向上し、初期音圧値あるいはそれから求められる吸収係数をより正確に算出可能になる。 In this embodiment, when generating a photoacoustic image based on the characteristic information obtained by the PAT as described above, the high gain laser apparatus according to the present invention is used. Therefore, photoacoustic waves can be generated with high efficiency. Further, when calculating the initial sound pressure value from the intensity of the photoacoustic wave, a light amount value at a site to be examined such as a light absorber in the subject is used. Here, in the present invention, since the light intensity output from the laser device is stable, the accuracy of light quantity estimation at a position such as a light absorber is improved, and the initial sound pressure value or the absorption coefficient obtained therefrom is further increased. Accurate calculation is possible.
101:レーザー媒質,103:加熱手段,113:フラッシュランプ,133:リアミラー,135:アウトプットカップラ 101: Laser medium, 103: Heating means, 113: Flash lamp, 133: Rear mirror, 135: Output coupler
Claims (20)
前記共振器内部に配置されたレーザー媒質と、
前記レーザー媒質に励起光を照射するフラッシュランプと、
前記レーザー媒質の少なくとも一部を覆うように設けられた、前記レーザー媒質を加熱する加熱手段と、
を有する固体レーザー装置。 A resonator that outputs laser light;
A laser medium disposed inside the resonator;
A flash lamp for irradiating the laser medium with excitation light;
A heating means for heating the laser medium provided to cover at least a part of the laser medium;
Having a solid state laser device.
請求項1に記載の固体レーザー装置。 The solid-state laser apparatus according to claim 1, wherein the heating unit is made of a material that transmits the excitation light.
請求項2に記載の固体レーザー装置。 The solid-state laser device according to claim 2, wherein a transmittance of the heating unit with respect to the excitation light is 75% or more.
請求項2または3に記載の固体レーザー装置。 4. The solid-state laser device according to claim 2, wherein the heating unit includes glass and a resistance film made of a material that transmits the excitation light and is provided so as to cover at least a part of the glass. .
請求項4に記載の固体レーザー装置。 The solid-state laser device according to claim 4, wherein the glass is quartz glass.
請求項2または3に記載の固体レーザー装置。 4. The solid-state laser device according to claim 2, wherein the heating unit includes a resistance film made of a material that transmits the excitation light and is provided so as to cover at least a part of the laser medium.
請求項4ないし6のいずれか1項に記載の固体レーザー装置。 The solid-state laser device according to claim 4, wherein the resistance film is made of a material that transmits the excitation light.
請求項7に記載の固体レーザー装置。 The solid-state laser device according to claim 7, wherein ITO or ZnO is used as a material of the resistance film.
請求項4ないし8のいずれか1項に記載の固体レーザー装置。 9. The solid-state laser device according to claim 4, wherein the heating unit covers the entire circumference of the laser medium in a cross section perpendicular to the resonance direction of the resonator. 10.
請求項1に記載の固体レーザー装置。 The solid-state laser device according to claim 1, wherein the heating unit has a portion that does not cover the laser medium in a cross section perpendicular to the resonance direction of the resonator.
請求項10に記載の固体レーザー装置。 The solid-state laser apparatus according to claim 10, wherein the flash lamp irradiates the laser medium with the excitation light through a portion where the heating unit does not cover the laser medium.
請求項11に記載の固体レーザー装置。 The solid-state laser device according to claim 11, wherein the heating unit is covered with a material that reflects the excitation light.
請求項12に記載の固体レーザー装置。 The solid-state laser device according to claim 12, wherein the heating means is made of ceramic in which a heating wire is embedded.
請求項1ないし13のいずれか1項に記載の固体レーザー装置。 The solid-state laser device according to any one of claims 1 to 13, further comprising power control means for controlling power input to the heating means.
前記電力制御手段は、前記レーザー媒質の温度を一定に保つように電力を制御する
請求項14に記載の固体レーザー装置。 A temperature measuring means for measuring the temperature of the laser medium;
The solid-state laser apparatus according to claim 14, wherein the power control unit controls power so as to keep a temperature of the laser medium constant.
前記電力制御手段は、前記レーザー光の光量を一定に保つように電力を制御する
請求項14に記載の固体レーザー装置。 The solid-state laser according to claim 14, further comprising a light amount measuring unit that measures a light amount of the laser light output from the resonator, wherein the power control unit controls the power so as to keep the light amount of the laser light constant. apparatus.
請求項1ないし16のいずれか1項に記載の固体レーザー装置。 The solid-state laser device according to any one of claims 1 to 16, further comprising wavelength selection means for selecting a wavelength of the laser light.
請求項17に記載の固体レーザー装置。 The power control unit controls the input power at the wavelength selected by the wavelength selection unit based on the relationship between the input power to the heating unit and the laser output at each wavelength selected by the wavelength selection unit. Item 18. A solid-state laser device according to Item 17.
請求項17または18に記載の固体レーザー装置。 The solid-state laser apparatus according to claim 17 or 18, further comprising wavelength detection means for detecting a wavelength selected by the wavelength selection means.
前記固体レーザー装置から前記レーザー光を照射された被検体から伝搬する音響波を検出する音響波検出器と、
前記音響波に基づいて前記被検体内の特性情報を生成する信号処理部と、
を有する被検体情報取得装置。 A solid-state laser device according to any one of claims 1 to 19,
An acoustic wave detector for detecting an acoustic wave propagating from a subject irradiated with the laser light from the solid-state laser device;
A signal processing unit for generating characteristic information in the subject based on the acoustic wave;
A subject information acquisition apparatus having:
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Cited By (2)
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WO2015198570A1 (en) * | 2014-06-24 | 2015-12-30 | 富士フイルム株式会社 | Solid-state laser device and photoacoustic-measuring device |
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