KR101487271B1 - 펄스 레이저 장치 - Google Patents

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전영민
안준모
김재헌
이석
박민철
우덕하
변영태
이택진
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 레이저 광을 생성하는 펄스 레이저 장치에 관한 것으로, 공진기의 양쪽 끝에 배치되어 레이저 광을 반사시키는 제1미러와 제2미러, 상기 제1미러와 상기 제2미러 사이에 배치되고, 외부에서 입사된 광을 증폭하여 출력하는 이득매질, 레이저 광의 펄스폭을 조정하는 에탈론, 상기 제1미러와 상기 제2미러 사이에 배치되고, 레이저 광으로부터 모드록킹 및 Q-스위칭 출력과 버스트를 발생시키는 음향광학 변조기를 구비하고, 레이저 광 중 일부가 상기 제1미러 또는 상기 제2미러를 통하여 공진기 외부로 출력되는 것이다.

Description

펄스 레이저 장치{PULSE LASER APPARATUS}
본 발명은 레이저 장치에 관한 것으로, 특히 레이저 펄스폭과 출력 펄스의 에너지를 조절할 수 있는 펄스 레이저 장치에 관한 것이다.
최근 레이저를 이용한 치료 기술이 널리 사용되고 있는데, 이러한 레이저를 이용한 치료장치는 피부과, 안과, 치과, 외과 수술 등에 사용되고 있다. 이 중, 피부과에서 사용되는 레이저 치료장치는 일반적으로 피부에 발생되는 피부 질환 또는 혈관 질환 같은 병변의 치료에 사용되며, 일정한 파장 및 세기를 갖는 레이저를 피부에 조사하여 치료 목적을 달성한다. 여러 가지 종류의 레이저가 피부과에서 치료를 위해 사용된다. Q-스위칭된(Q-switched) 알렉산드라이트 레이저(Alexanderite laser, 755nm에서 동작)는 자연적으로 발생한 피부병리학적인 색소침착 및 문신을 처리하기 위하여 주로 이용된다. 장펄스 루비 레이저는 머리털 제거를 위해 사용되고, Nd:YAG 레이저(1060nm에서 동작), 이산화탄소 레이저(CO2 laser, 10.6마이크로미터에서 동작) 및 아르곤 레이저(488-514nm범위에서 동작)는 확장성 혈관의 치료를 위해 사용된다.
구체적으로 피부과에서는 얼룩 반점, 기타 확장성 혈관 장애 및 문신을 포함한 색소 장애와 같은 다양한 피부병리학적 문제를 처리하기 위하여 레이저 치료장치가 이용된다. 이는 구성 단백질이 변성되거나 색소 입자가 분산되는 정도로 온도를 상승시키도록 국부적인 가열이 가능하도록 한다. 이때 레이저 조사광의 펄스폭이 중요한데, 펄스폭이 너무 길면 흡수된 열이 주변의 조직으로 확산되어 원하는 정도로 선택적으로 가열되지 않는다. 그러나, 펄스폭이 너무 짧으면, 헤모글로빈 또는 문신 색조 입자와 같은 광 흡수 화학물질은 너무 빨리 가열되어 증발한다. 즉 적당한 펄스폭이 타겟 지점의 열 확산 시간과 매칭되어야 한다. 이와 같이 흡수된 조사광에 의해 타겟이 발열을 일으키는 것을 광열효과(photothermal effect)라고 하며, 이에 최적화된 광원이 수십~수백 나노초의 펄스폭을 갖는 Q-스위칭된 레이저 이다.
최근의 임상연구결과에 따르면, 모드록킹(mode locking)을 통해 발생된 피코초(picosecond) 펄스를 이용하는 것이, 기존의 Q-스위칭을 통해 발생된 나노초(nanosecond) 펄스를 이용하는 것보다, 훨씬 효과적으로 문신이나 색소 장애를 제거하면서도 흉터가 발생하지 않는다는 것이 밝혀졌다. 이는 광열효과보다 더욱 선택적으로 작용할 수 있는 광기계효과(photomechanical effect)를 이용함으로써, 더욱 얕고 작은 부위에 국소적으로 작용하여, 치료시간을 줄이고 흉터나 부작용을 최소화하는 것이다, 그러나 이와 같이 짧은 피코초 펄스를 얻기 위한 모드록킹을 하기위해서는 Q-스위칭용 변조기 외에 별도의 고속 광변조기가 필요하다.
도 1은 종래기술에 의한 모드록킹 및 Q-스위칭된 알렉산드라이트 레이저 장치의 기본 구성도이다.
도 1을 참고하면, 레이저 장치는 레이저를 생성하는 공진기를 포함하는데, 공진기 내에는 제1미러와 제2미러, 이득매질(gain medium), 그리고 2개의 광학변조기(Optical Modulator)가 광축을 따라 배치되어 있다.
공진기의 양쪽 말단에 배치된 제 1미러와 제 2미러의 둘 중 하나는 완전한 반사도를 갖는 전반사경이고, 나머지 하나는 부분 반사도를 갖는 출력경으로써, 부분 반사도를 갖는 미러를 통해 공진기에서 발진된 레이저광이 출력되어 나가게 된다. 이득매질에서 출발하여 제2미러 방향으로 진행하는 레이저 펄스는 제2광학변조기를 통과하며, 제2미러에서 반사된 후, 다시 제2광학변조기, 이득매질, 제1광학변조기를 통과하여 제1미러에 도달하게 된다. 이때, 제2광학변조기는 모드록킹된(mode-locked) 펄스를 만드는 역할을 하고, 제1광학변조기는 Q-스위칭된 펄스를 만드는 역할을 한다. 공진기안에서 발진하는 레이저광의 출력이 원하는 크기에 이르면 출력 경로를 따라 외부로 출력된다.
임상에서 병변의 종류나 상태에 따라 적절하게 레이저 펄스폭을 변화시킬 수 있으면 매우 유용하다. 그러나 현재의 모드록킹된 레이저 치료 장치는 피부 색소나 상처 치료를 위한 레이저의 펄스폭이 일반적으로 고정되어 있으며, 원하는 펄스폭으로 변화시키기가 매우 곤란하다.
그리고, 종래기술에서 모드록킹 및 Q-스위칭을 위해서는 레이저 공진기에 통상 2개의 광학변조기가 필요하며, 특히 흔히 사용되는 전기광학(Electro-Optic) 변조기를 구동하기 위해서는 수 kV의 고전압을 나노초의 고속으로 변조시킨 구동신호를 사용해야 하므로, 고가의 복잡한 전기회로가 필요하다는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1153382호
The aesthetic guide, Jan/Feb 2013, pp 2-6. "Picosecond laser shows promise for new era in tatoo removal", Dermatology Times, Aug 2012
본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 모드록킹된 피코초의 레이저 펄스폭을 조절할 수 있고, 하나의 광학변조기를 이용하여 모드록킹 및 Q 스위칭 뿐만 아니라 펄스 버스트(pulse burst)동작을 시킬 수 있으며, 저전압 구동신호로 작동되는 변조기를 이용하는 펄스 레이저 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 레이저 광을 생성하는 펄스 레이저 장치에 있어서, 공진기의 양쪽 끝에 배치되어 레이저 광을 반사시키는 제1미러와 제2미러, 제1미러와 제2미러 사이에 배치되고, 외부에서 입사된 광을 증폭하여 출력하는 이득매질(gain medium), 제1미러와 제2미러 사이에 배치되고, 레이저 광으로부터 모드록킹 및 Q-스위칭된 신호를 형성하는 음향광학 변조기(acousto-optic modulator)를 구비하되, 레이저 광 중 일부가 제1미러 또는 제2미러를 통하여 공진기 외부로 출력된다.
여기서, 본 발명의 다른 측면에 의한 펄스 레이저 장치는 레이저 광의 펄스폭을 조정하는 에탈론(etalon)을 더 구비할 수 있다.
이때, 상기 에탈론은 일정한 반사율을 갖는 평행 평면판으로서, 통상 유리 또는 수정의 평행 평면판 또는 그 양면에 유전체 다층박막을 증착시켜 반사율을 높인 광학소자이고, 레이저 광이 상기 에탈론을 투과할 때 투과 파장대역을 제한함으로써, 상기 에탈론의 반사율, 두께 및 굴절률에 의해 레이저 광의 펄스폭이 조정되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 에탈론은 적어도 하나 이상이며, 특성이 다른 에탈론을 공진기의 내부 또는 외부에 선택적으로 사용하여 레이저 광의 펄스폭을 조정할 수 있다. 특히 공진기 내부에 설치할 경우 레이저 광이 반복 투과되는 공진기 특성상 에탈론 양면의 반사율이 낮아도 높은 효과를 얻을 수 있다. 레이저 펄스폭은 10 ps ~ 10 ns의 구간에서 조정할 수 있다.
상기 이득매질로서 알렉산드라이트 봉을 사용할 수 있다.
상기 음향광학 변조기에 ON 전압신호(공진기의 왕복시간에 해당하는 RF주파수를 가진 신호)를 일정시간 t1 동안 인가하여 회절광에 의한 주기적인 삽입손실을 이용함으로써, 레이저 광을 모드록킹시킬 수 있다. 아울러, 상기 음향광학 변조기에 OFF 전압신호를 일정시간 (t2-t1) 동안 인가하여 공진기의 평균 삽입손실을 감소시킴으로써, 레이저 광을 Q-스위칭시켜 모드록킹된 펄스열을 증폭하여 강한 출력을 얻을 수가 있다. 더욱이, 상기 음향광학 변조기에 상기의 ON 또는 OFF의 전압신호를 주기적으로 조절하여 인가함으로써 모드록킹 및 Q-스위칭된 레이저 펄스를 일정 개수만큼 출력시키는 펄스 버스트 모드로 동작 시킬 수 있다.
레이저 광 중 일부가 상기 제1미러 또는 상기 제2미러를 통하여 출력될 때, 버스트 모드나 셔터를 사용하여 출력 Q-스위칭 펄스의 갯수를 조절할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 의료용 레이저로서 사용할 경우 치료 목적에 따라 적절한 모드록킹된 펄스폭과 출력 에너지를 선택할 수 있는 효과가 있다. 아울러, 음향광학 변조기는 전기광학 변조기(수 kV로 동작)보다 훨씬 낮은 전압(수 V로 동작)으로 구동되므로, 고가의 고속 고전압 전기장치가 필요 없어 장치의 소비 전력을 줄일 수 있고, 장치에서 파워 부분이 차지하는 부피를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 전기광학 변조기를 사용할 때 발생하는 주파수 첩(frequency chirp)을 방지할 수 있다.
도 1은 종래기술에 의한 레이저 장치의 기본 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 레이저 장치의 기본 구성도,
도 3은 도 2에서 에탈론이 레이저 광의 펄스폭을 조정하는 것을 설명하기 위한 개념도,
도 4는 에탈론의 두께에 따라 변화되는 펄스폭을 나타낸 그래프,
도 5는 한 개의 음향광학 변조기를 사용해서 모드록킹과 Q 스위칭이 순차적으로 구현되는 과정을 도시한 그래프,
도 6은 의료용 레이저에서 모드록킹 및 Q-스위칭된 펄스가 버스트 모드로 생성되는 일 예를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 레이저 장치를 도시한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 레이저 장치는 제1미러(100)와 제2미러(102), 음향광학 변조기(104), 이득매질(106) 및, 에탈론(110)을 포함한다.
레이저 장치의 양쪽 끝에는 제1미러(100)와 제2미러(102)가 배치된다. 제1미러(100)와 제2미러(102)의 둘 중 하나는 완전한 반사도를 갖는 전반사경이고, 나머지 하나는 부분 반사도를 갖는 출력경이다. 부분 반사도를 갖는 미러를 통해 공진기에서 발진된 레이저광이 출력되어 나가게 된다.
이득매질(106)은 펌핑을 통해 밀도반전이 이루어질 수 있는 물질로서, 외부에서 이 물질로 입사해온 광은 증폭 작용을 하여 높은 세기의 광으로 출력된다. 외부에서 펌핑 디바이스로 사용될 수 있는 것은 플래쉬 램프, 아크 램프, 또는 다른 레이저 등이 있다. 이득매질로는 알렉산드라이트(alexandrite) 또는 티타늄(titanium) 도핑된 사파이어 크리스탈(sapphire crystal) 봉(rod), 네오디뮴(neodymium)으로 도핑된 이트륨-알루미늄(yttrium aluminum) 가넷 크리스탈(Nd:YAG crystal) 봉 등이 사용될 수 있다.
예를 들어, 펌프 램프를 사용하여 광을 이득매질(106)에 입사시키면, 이득매질(106)에서 여기된 빛은 광축(114)을 따라 에탈론(110)을 지나 제2미러(102)에서 반사된다. 다시, 광축(114)을 따라 에탈론(110), 이득매질(106), 음향광학 변조기(104)를 차례로 지난 광은 제1미러(100)에서 반사된다.
에탈론(110)은 레이저 광의 펄스폭을 조정하는 역할을 하는데, 일정한 반사율을 갖는 평행 평면판으로서, 통상 유리 또는 수정의 평행 평면판 또는 그 양면에 유전체 다층박막을 증착시켜 반사율을 높인 광학소자이다.
도 3은 본 발명의 에탈론이 레이저 광의 펄스폭을 조정하는 것을 설명하기 위한 개념도이다. 도 3을 참고하면 레이저 광이 에탈론을 투과할 때, 에탈론의 반사율, 두께 및 굴절률에 따라서 레이저광의 투과 파장대역이 제한받게 되고, 이에 따라 펄스폭이 조정된다.
여기서 에탈론의 개수를 조절하여 레이저 광의 펄스폭 조정에서 자유도를 높일 수 있다. 예를 들어, 의료용 레이저를 위하여 레이저 펄스폭을 10 ps ~ 10 ns 의 구간에서 자유롭게 조정할 수 있는 것이 바람직하다.
에탈론이 레이저 공진기 바깥(extra-cavity)에 배치된 경우에는, 레이저가 출력되면서 한번만 지나가므로 반사율이 매우 높아야 원하는 펄스폭 형성의 효과를 낼 수 있다. 반면에 에탈론이 레이저 공진기 내부(intra-cavity)에 설치된 경우에는, 양면에 유전체 박막이 없는 4% 정도의 작은 반사율을 갖는 단순한 평행판 타입의 에탈론을 사용하여도 레이저가 공진기 내부에서 충분히 왕복하므로 공진기 외부에 설치한 고반사율의 에탈론과 같은 효과를 낼 수 있다.
에탈론에서 펄스폭을 조정해 주는 중요한 변수는, 주파수 투과대역폭(Δν 1/2)과 반사율(R) 및 두께(d)가 있다. 이에 의해 최종적으로 에탈론에 의해 변화된 펄스폭(Δτ)을 갖는 광파가 만들어진다. (수학식 1, 2, 3, 참조, 에탈론을 공진기 외부에 설치하는 경우)
Figure 112013073872432-pat00001
Figure 112013073872432-pat00002
Figure 112013073872432-pat00003
따라서, 위의 식으로부터 에탈론에 의해 펄스폭을 가변시킬 수 있게 된다. 도 4는 가우시안 형태의 레이저 펄스를 가정하고 에탈론의 굴절률을 1.5로 했을 때, 에탈론의 두께에 따라 변화되는 펄스폭을 그래프로 나타낸 것이다.
도 5는 한 개의 음향광학 변조기를 사용해서 모드록킹과 Q 스위칭이 순차적으로 구현되는 과정을 도시한 그래프이다.
도 6은 의료용 레이저에서 모드록킹 및 Q-스위칭된 펄스가 버스트 모드로 생성되는 일 예를 도시한 그래프이다.
도 5 및 6을 참고하면, 음향광학 변조기에 인가하는 RF 전압신호의 ON-OFF 에 의해 모드록킹, Q-스위칭, 버스트 동작이 구현될 수 있다. 구체적으로 음향광학 변조기에 인가하는 RF 전압신호의 ON 상태에서는 음향광학 변조기의 주기적인 손실 에 의해 모드록킹된 펄스가 형성이 되고, 음향광학 변조기에 RF 전압신호의 OFF를 하게 되면, 공진기의 평균손실이 감소하게 되어 Q-스위칭된 펄스 형태로 고출력의 모드록킹된 펄스열(pulse train)이 출력된다. 이러한 Q-스위칭 펄스를 원하는 갯수만큼(1 burst) 음향광학 변조기에 인가하는 RF 전압신호의 ON-OFF를 반복하면, 1 버스트의 모드록킹 및 Q-스위칭된 펄스가 형성된다. 이 과정을 반복하여 원하는 만큼의 버스트 신호를 얻을 수 있다.
이렇듯 여러개의 모드록킹된 펄스가 모여 하나의 Q-스위칭된 펄스를 형성하는데, 이러한 Q-스위칭된 펄스에 대해 상기한 버스트 모드나 또는 전기적 셔터 등으로 출력 펄스 수를 조정하면, 여러 개 펄스가 한 단위로 출력되는 펄스 버스트 모드로 레이저 광을 출력할 수 있게 된다. 이때 단위 시간당 출력되는 펄스 버스트의 개수에 따라, 출력 레이저 에너지를 조절할 수 있다.
본 발명에서는 음향광학 변조기(104)가 모드록킹 신호를 만드는 역할을 하는 것과 동시에, 원하는 반복률로 Q-스위칭하고 버스트 모드로 펄스를 출력하는 역할을 한다.
이렇게 레이저 공진기 내부를 반복하여 진행하면서 모드록킹 및 Q-스위칭된 펄스가 형성되면, 이러한 레이저 광 펄스는 제1미러(100) 또는 제2미러(102)를 통해 출력된다. 제1미러 또는 제2미러는 90 ~ 1 % 정도 사이의 투과율을 가지고 있어서, 레이저 공진기 내부의 광파를 반사하기도 하지만 광파 중 일부가 레이저 광으로서 제1미러 또는 제2미러를 통하여 출력될 수 있다.
100 : 제1미러 102 : 제2미러
104 : 음향광학변조기 106 : 이득매질
110 : 에탈론

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 레이저 광을 생성하는 펄스 레이저 장치에 있어서,
    공진기의 양쪽 끝에 배치되어 레이저 광을 반사시키는 제1미러와 제2미러;
    상기 제1미러와 상기 제2미러 사이에 배치되고, 외부에서 입사된 광을 증폭하여 출력하는 이득매질;
    상기 제1미러와 상기 제2미러 사이에 배치되고, 레이저 광으로부터 모드록킹 및 Q-스위칭된 신호를 형성하는 음향광학 변조기를 구비하되,
    레이저 광 중 일부가 상기 제1미러 또는 상기 제2미러를 통하여 공진기 외부로 출력되며, 레이저 광의 펄스폭을 조정하는 에탈론을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 에탈론은 일정한 반사율을 갖는 평행 평면판으로서, 유리 또는 수정의 평행 평면판 한면 또는 양면에 유전체 다층박막을 증착시켜 반사율을 높인 광학소자이고,
    레이저 광이 상기 에탈론을 투과할 때 투과 파장대역을 제한함으로써, 상기 에탈론의 반사율, 두께 및 굴절률에 의해 레이저 광의 펄스폭이 조정되는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 에탈론은 적어도 하나 이상이며, 특성이 다른 에탈론을 공진기의 내부 또는 외부에 선택적으로 사용하여, 레이저 광의 펄스폭이 조정되는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    레이저 펄스폭을 10 ps ~ 10 ns의 구간에서 조정하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 이득매질로서 알렉산드라이트 봉을 사용하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 음향광학 변조기에 ON 전압신호를 인가하여 레이저 광으로부터 모드록킹 신호를 형성하고, 상기 음향광학 변조기에 OFF의 전압신호를 인가하여 Q-스위칭 신호를 형성하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 음향광학 변조기에 ON 또는 OFF의 전압신호를 조절하여 인가함으로써 버스트 모드의 모드록킹 및 Q-스위칭 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치.
  9. 제2항에 있어서, 레이저 광 중 일부가 상기 제1미러 또는 상기 제2미러를 통하여 출력될 때, 버스트 모드나 셔터를 사용하여 출력 Q-스위칭 펄스의 갯수를 조절하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 장치.
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