DE19958566A1

DE19958566A1 - Gütegeschalteter Festkörperlaser mit einstellbarer Pulslänge

Info

Publication number: DE19958566A1
Application number: DE19958566A
Authority: DE
Inventors: Olaf Kittelmann; Frank Strauch
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 1999-12-04
Filing date: 1999-12-04
Publication date: 2001-06-07
Also published as: US6587483B2; US20010021205A1; JP2001189513A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen gütegeschalteten Festkörperlaser, welcher eine Pumpstrahlungsquelle, deren Pumpstrahlung durch fokussierende Elemente in den Laserkristall fokussiert ist, und einen durch reflektierende Flächen gebildeten Resonator, in welchem mindestens ein Laserkristall, ein akusto-optischer Schalter zur Güteschaltung sowie wahlweise ein frequenzverdoppelter Kristall (KTP) angeordnet sind, umfaßt. Der akusto-optische Güteschalter ist mit einer, eine modulierbare Hochfrequenzwelle erzeugenden elektronischen Einheit verbunden. DOLLAR A Der Güteschalter wird durch die Hochfrequenzwelle derart gesteuert, daß durch Steuerung der Steilheit der Flanke der Modulationsfunktion der Hochfrequenzwelle Laserimpulse mit Impulslängen in der Größenordnung einiger Mikrosekunden (mus) und mit einem Energieinhalt in der Größenordnung von einigen Millijoule erzeugbar sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen gütegeschalteten Festkörperlaser mit einstellbarer Pulslänge, insbesondere mit einer Pulslänge in der Größenordnung von einigen Mikrose kunden und einem Energieinhalt in der Größenordnung von einigen Millijoule, und ist all gemein für die Materialbearbeitung und speziell für die Bearbeitung biologischen Gewe bes, beispielsweise zur Anwendung in der Ophthalmologie gedacht.

Ziel einer ophthalmologischen Laserbehandlung ist unter anderem die thermische Zerstö rung kranken Gewebes (Koagulation). Dabei wird jedoch meist auch gleichzeitig umlie gendes gesundes Gewebe durch die Wärmeeinwirkung beeinflußt bzw. zerstört. So be steht die Notwendigkeit, die Erwärmung räumlich auf ein Behandlungszentrum mit kran kem Gewebe einzuschränken, um gesundes Gewebe weitestgehend zu schonen, was mit Laserpulsen bestimmter Pulslänge, Pulsenergie und Wiederholrate ermöglicht werden kann.

So ist aus der DE 39 36 716 eine Vorrichtung zur Beeinflussung von Material durch eine gepulste Lichteinstrahlung bekannt, die den Vorteil einer gepulsten Laserbehandlung ge genüber einer Dauerstrichbehandlung von biologischem Gewebe beschreibt. Hier ist eine zeitliche und räumliche Schaltvorrichtung der Lichtquelle für eine mehrfach repetierende Bestrahlung mit Lichtimpulsen vorgesehen, um gezielt Materialveränderungen auf die di rekten lichtabsorbierenden Strukturen des bestrahlten Materials und ihre unmittelbare Umgebung räumlich begrenzt zu beeinflussen.

Aus der Patentschrift DE 44 01 917 C2 (Brinkmann) und hierin enthaltenen Referenzen sind Laseranordnungen beschrieben, die gepulstes Licht mit Pulslängen von einigen Mi krosekunden zur Verfügung stellen. Allerdings ist der betriebene Aufwand recht hoch. Zum einen werden die Pulse mit elektro-optischer Güteschaltung erzeugt, was den Umgang mit Hochspannung im kV-Bereich nötig macht (Pockelszelle). Zum anderen wird eine sehr schnelle Rückkopplungsschleife verwendet, die während des Laserpulsaufbaus die Ver luststeuerung durch den Güteschalter nachstellt. Zur Rückkopplung wird ein Teil des aus gekoppelten Laserlichts verwendet, welches in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Hierdurch wird die Verlängerung der Laserpulse bis in den Mikrosekundenbereich ge währt.

Eine Pulserzeugung mittels sättigbarem Absorber wäre auch denkbar, würde aber die Pulsverlängerungseinheit, bestehend aus Pockelszelle und Rückkopplung, nicht überflüs sig machen. Diese Ausführung beansprucht zusammen mit der notwendigen Leistungs elektronik für die Rückkopplung viel Raum und ist u. a. wegen Wasserkühlung schlecht transportabel.

Ein kompakter, gütegeschalteter, diodengepumpter Festkörperlaser mit akusto-optischer Güteschaltung ist in der noch unveröffentlichten Patentanmeldung Nr. 199 27 918.7 be schrieben, bei dem hohe Anforderungen an die Qualität der dielektrischen Schichten von Resonatorkomponenten gestellt werden, da die Strahlungsbelastung in den Laserkristallen bei gepulster Laserstrahlung hoch ist. Die hier beschriebene Anordnung setzt einen akus to-optischen Güteschalter ein, der aufgrund seiner kleinen Abmessungen in kompakte Geräte eingebaut werden kann. Die Verluststeuerung bei der akusto-optischen Güte schaltung geschieht durch eine in einem Kristall erzeugte Ultraschallwelle, die auf den quer durchlaufenden Laserstrahl wie ein Gitter wirkt, das einen Teil der im Resonator um laufenden Laserintensität beugt. Die Pulsverlängerung erfolgt hier durch die alleinige An wesenheit eines Frequenzverdopplers, der zugleich als Pulsauskoppler fungiert. Nachteilig ist, daß die Pulsverlängerung im Bereich höherer Pulsenergien, welcher für die Bearbei tung biologischen Gewebes erforderlich ist, nicht mehr ausreicht, weil mit zunehmender, im Resonator umlaufender Pulsenergie die Inversion im Lasermedium schneller abgebaut wird.

Als aktive Medien werden vorzugsweise YAG-Kristalle verwendet, wobei auch andere La serkristalle denkbar sind. Solche Laser sind als robust in dem Sinne bekannt, daß sie ihre Eigenschaften auch unter Umwelteinflüssen, wie Temperaturwechsel oder Transporter schütterungen, über eine lange Zeit behalten. Die Laseremissionswellenlänge liegt im na hen Infrarot und ist an und für sich für eine ophthalmologische Laserkoagulationsbehand lung nicht brauchbar. Die effiziente Umwandlung der Wellenlänge des abgestrahlten La serlichts in den sichtbaren Spektralbereich mit einem frequenzverdoppelnden Kristall in nerhalb des Resonators macht es jedoch möglich, Laserpulse zu erzeugen, die für eine solche Behandlung geeignet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gütegeschalteten Festkörperlaser mit einstellbarer Pulslänge zu schaffen, mit welchem die Nachteile des Standes der Technik weitestgehend beseitigt werden, und bei welchem mit geringem Aufwand und Volumen und mit großer Zuverlässigkeit und hoher Stabilität eine Einstellung der Impulslänge im µs- Bereich erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem gütegeschalteten Festkörperlaser mit den im ersten Anspruch dargelegten Mitteln gelöst, in dem eine Laseranordnung, die Laserpul se mit geeigneten Parametern zur Verfügung stellt, dargestellt ist. In den folgenden Un teransprüchen sind weitere Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung beschrieben.

So ist es vorteilhaft, wenn Mittel zur Fokussierung der Laserstrahlung in den frequenzver doppelnden Kristall im Resonator vorgesehen sind, wobei zur Vermeidung von Strah lungsschäden am frequenzverdoppelnden Kristall eine flache Schaltflanke der Modulati onssignale für den Güteschalter verwendet wird.

Es ist ferner von Vorteil, wenn ein Strahlungsabschwächer außerhalb des Resonators zur Einstellung der Energie der emittierten Laserimpulse vorgesehen ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn die Einstellung der Energie der Laserpulse durch eine Steuerung der Intensität der Pumplichtquelle realisiert ist und eine Einstellung der Pulslänge der Therapie(Laser)strahlung durch das Anpassen der Flankensteilheit der Modulation der Hochfrequenz(HF)-Welle am Güteschalter erfolgt.

Vorteilhaft ist es, wenn als Monitor für die Pulsenergie das kurz vor der Pulsauslösung emittierte Fluoreszenzlicht, welches vom Laserkristall ausgesendet wird, ausgenutzt wird indem es z. B. durch fotoelektrische Elemente in verarbeitbare elektrische Signale umge wandelt wird.

Der Festkörperlaser ist unter anderem auch dadurch gekennzeichnet, daß Pumpstrah lungsquelle kontinuierlich arbeitet oder gegebenenfalls auch gepulst arbeitet, um so ther mische Effekte im Laserkristall zu steuern, zu regeln oder zu kontrollieren. Auch um ther mische Effekte im Laserkristall zu vermeiden, kann es von Vorteil sein, die Pumpstrah lungsquelle gepulst zu betreiben.

In ophthalmologischen Geräten ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Festkörperlaser und einem die Laserstrahlung empfangenen Applikator eine Lichtstrahlung leitende Quarzfaser mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 50 µm vorgesehen ist, wobei die Kop peleffizienz der durch die Faser übertragenen Strahlung etwa 80% beträgt.

Mit der Erfindung werden die Nachteile insbesondere des in der DE-Patentanmeldung Nr. 199 27 918.7 beschriebenen Festkörperlasers weitestgehend beseitigt, da mit der Variabi lität der Schaltflanke ein weiterer Freiheitsgrad zur Realisierung einer einstellbaren Puls länge der Laserstrahlung bei einem Festkörperlaser eingeführt ist. Dieser weitere Freiheit grad ermöglicht die Realisierung verlängerter Laserpulse im µs-Bereich mit extrem kurzen Resonatoren, zwei Tendenzen, die sonst gegenläufig wären. Damit ist ein µs-Laser reali siert, der eine Resonatorlänge in der Größenordnung von 10 cm besitzt, was z. B. auch die Fertigung eines kompakten, stabilen Lasers ermöglicht.

Die in dieser Erfindungsmeldung dargelegten Methoden zur Laserpulserzeugung und -verlängerung funktionieren sowohl mit als auch ohne frequenzverdoppelnden Kristall. Die Amplitude der Ultraschallwelle der akusto-optischen Güteschaltung bestimmt dabei auch die Höhe der Verluste. Mit der Modulation dieser Amplitude ist eine gezielte Steuerung der Laserverluste möglich. Eine spezielle Modulationsfunktion, die durch die, die modulierbare HF-Welle liefernde, elektrische Schaltung erzeugt wird, bewirkt eine Pulsverlängerung. Die Steilheit der vorderen Schaltflanke der Modulationsfunktion bestimmt dabei die Länge der ausgesendeten Laserpulse. So sind mit der hier dargelegten Vorrichtung sehr stabile La serpulse erzeugt worden, wobei die Pulsbreite und -höhe einiger tausend wiederholter Laserpulse um nicht mehr als 10% variiert haben. Schnelle Fluktuationen der Pulsform, wie z. B. die Ausbildung von Leistungsspitzen innerhalb eines Pulses konnten nicht beob achtet werden. Damit kommt diese Vorrichtung ohne eine Rückkoppelschleife zur Stabili sierung der Pulse aus.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen gütegeschalteten Festkörperla sers und

Fig. 2 ein Kennliniendiagramm mit Modulationsfunktion und Laserimpuls.

In Fig. 1 ist schematisch der Aufbau eines erfindungsgemäßen Festkörperlasers darge stellt. Dieser gütegeschaltete FKL umfaßt in einem Resonator 1, der durch eine reflektie rende Fläche 2 eines Laserkristalls 4 und eine reflektierende Fläche 3 eines Auskoppel spiegels 5 gebildet wird und in welchem der Laserkristall LK 4 angeordnet ist. Diesem LK 4 in Lichtrichtung nachgeordnet ist ein akusto-optischer Güteschalter 6, welcher mit einer elektronischen Einheit 7 zur Erzeugung geeigneter Hochfrequenzwellen verbunden ist. Diese Hochfrequenzwellen dienen der Steuerung des Güteschalters 6 in der Weise, daß durch die Steuerung der Steilheit der Flanke der Modulationsfunktion (Fig. 2) der Hochfre quenzwelle Laserimpulse mit Impulslängen von einer oder mehreren Mikrosekunden (µs) erzeugt werden.

Wie in Fig. 1 ferner gezeigt wird, befindet sich im Resonator 1 ein die Frequenz der vom Laserkristall 4 ausgesandten Strahlung verdoppelnder, nichtlinearer Kristall 8, beispiels weise aus KTP, auf welchen durch optische Mittel 9, z. B. sammelnde optische Elemente, die Laserstrahlung fokussiert wird, um eine effiziente Frequenzverdopplung zu erreichen. Dabei ist es notwendig, eine flache Schaltflanke der Modulationssignale für den akusto optischen Güteschalter 6 vorzusehen, um evtl. Strahlungsschäden am frequenzverdop pelnden Kristall 8 zu vermeiden. Die Schaltflanke ist dabei die Flanke (Fig. 2) der den akus to-optischen Güteschalter 6 steuernden Impulse, die durch die elektronische Einheit 7 erzeugt werden.

Zur Anregung des Laserkristalls 4 ist eine Pumpstrahlungsquelle 10 außerhalb des Reso nators 1 vorgesehen, deren Pumpstrahlung 11 zur Effizienzsteigerung der Anregung (des Pumpens) durch optische Fokussiermittel 12, beispielsweise durch sammelnde Linsen, dem Laserkristall 4 zugeführt wird. Eine hohe Pulsenergie der Pumpstrahlung bewirkt da bei eine höhere Verstärkung im Laserkristall 4 und damit auch eine Erhöhung der Intensi tät der Laserstrahlung, wobei wegen der hohen Verstärkung die Inversion im Laserkristall 4 schnell abgebaut wird und kurze Laserimpulse entstehen. Um diesem entgegen zu wir ken, wird eine flache Schaltflanke der Modulationssignale durch die elektronische Einheit 7 erzeugt und dem Güteschalter 6 zur Steuerung zugeleitet.

In dem in Fig. 2 gezeigten Diagramm wird ein typischer, den Laser verlassender Impuls gezeigt, wobei charakteristisch die asymmetrische Form des Impulses mit steiler linker Anstiegsflanke und flacher rechter Abstiegsflanke ist, wie sie auch von anderen gütege schalteten Lasern bekannt ist. Gleichfalls ist hier auch ein den Güteschalter 6 steuernder Impuls dargestellt.

Was die Einstellung der applizierten Pulsenergie betrifft, ergibt sich applikationsseitig bei einem Pulslaser eine Schwierigkeit. Zur Abschwächung und zur Verringerung der mögli chen Strahlenbelastung können Strahlungsabschwächer vorgesehen werden, wobei als solche Abschwächer, beispielsweise Absorptionsfilter, verwendet werden. Von der Ver wendung eines externen Absorbers, z. B. ein Absorptionsfilter, wird man meistens abse hen, da die Strahlungsbelastung durch die Laserstrahlung zur thermischen Zerstörung des Absorbers führen kann. Dagegen sind dielektrische Schichten auf optischen Elementen, mit denen ein Teil der Laserstrahlung herausgespiegelt wird oder Polarisationsstrahlen teiler zur Abschwächung geeigneter.

Dies erfordert jedoch zusätzliche Komponenten und Elemente, die gesteuert und über wacht werden müssen. In diesem Zusammenhang können notwendige bewegliche, me chanische Elemente zu Systemausfällen führen. Einen Ausweg bietet die Variation der Pumpleistung. Die damit einhergehende Veränderung der Pulslänge der Laserstrahlung im Sinne einer Verkürzung wird beim erfindungsgemäßen Festkörperlaser durch eine ent sprechende Anpassung der Steilheit der Schaltflanke des den Güteschalter 6 steuernden Impulses der elektronischen Einheit 7 kompensiert. Eine Kennlinie im in Fig. 2 dargestell ten Diagramm vermittelt dabei den Zusammenhang zwischen Pumpleistung und Steigung der Schaltflanke. Jeder Punkt auf der Kennlinie markiert eine Pulsenergie, bei der die Pulslänge im gewünschten Bereich liegt. Zur Steuerung des Lasers kann eine solche Kennlinie auch in der Einheit 7 einprogrammiert werden.

Als Anzeige, d. h. als Monitor (im Sinne einer Anzeige) für die im Laserkristall gespei cherte Pumpenergie kann das kurze Zeit vor der Impulsauslösung amittierte Fluoreszenz licht des Laserkristalls 4 verwendet werden, welches beispielsweise durch einen Fo toempfänger erfaßt, in ein elektrisches Signal gewandelt und/oder zu Steuerzwecken weiterverarbeitet werden kann.

Die vom Festkörperlaser ausgesandte, frequenzverdoppelte Strahlung wird einem Appli kator, beispielsweise eines ophthalmologischen Gerätes (nicht dargestellt), zugeführt, wo bei zur Strahlungsfortleitung vorteilhaft eine oder mehrere Quarzfaser(n) mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 50 µm zur Anwendung kommen. Die Koppeleffi zienz der übertragenen Strahlungsleistung zwischen Faserein- und Faserausgang beträgt etwa 80%.

Bezugszeichen

1

Resonator

2

Fläche

3

Fläche

4

Laserkristall

5

Auskoppelspiegel

6

Güteschalter (akusto-optischer Güteschalter)

7

elektronische Baueinheit

8

frequenzverdoppelnder Kristall (KTP)

9

optische Elemente

10

Pumpstrahlungsquelle

11

Pumpstrahlung

12

optische Mittel

Claims

1. Gütegeschalteter Festkörperlaser, umfassend

- eine Pumpstrahlungsquelle, deren Pumpstrahlung durch fokussierende Elemente in den Laserkristall fokussiert ist
- einen durch reflektierende Flächen gebildeten Resonator, in welchem mindestens ein Laserkristall, ein akusto-optischer Schalter zur Güteschaltung sowie wahlweise ein frequenzverdoppelnder Kristall (KTP) angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet,

- daß der akusto-optische Güteschalter mit einer, eine modulierbare Hochfrequenzwelle erzeugenden elektronischen Einheit verbunden ist,
- und daß der Güteschalter durch die Hochfrequenzwelle derart gesteuert ist, daß durch Steuerung der Steilheit der Flanke der Modulationsfunktion der Hochfrequenzwelle Laserimpulse mit Impulslängen von einer oder mehreren Mikrosekunden (µs) erzeugbar sind.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Fokussierung der Laserstrahlung in den frequenzverdoppelnden Kristall im Resonator vorgesehen sind, wobei zur Vermeidung von Strahlungsschäden am Verdopplerkristall eine flache Schaltflanke der Modulationssignale für den Güteschalter verwendet wird.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlungsabschwächer außerhalb des Resonators zur Einstellung der Energie der emittierten Laserimpulse vorgesehen ist.

4. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einstellung der Energie der Laserpulse durch eine Steuerung der Intensität der Pumplichtquelle realisiert ist und eine Einstellung der Pulslänge der Therapie(Laser)strahlung durch das Anpassen der Flankensteilheit der Modulation der HF- Welle am Güteschalter erfolgt.

5. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Monitor für die im Laserkristall gespeicherte Pumpenergie das kurz vor der Pulsauslösung emittierte Fluoreszenzlicht des Laserkristalls ausgenutzt wird.

6. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlungsquelle kontinuierlich arbeitet oder gegebenenfalls gepulst wird, um thermische Effekte im Laserkristall zu steuern, zu regeln, zu kontrollieren oder zu vermeiden.

7. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Festkörperlaser und einem die Laserstrahlung empfangenen Applikator eine Lichtstrahlung leitende Quarzfaser mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 50 µm vorgesehen ist, wobei die Koppeleffizienz der durch die Faser übertragenen Strahlung etwa 80% beträgt.