DE3813482A1 - Vorrichtung zur erzeugung von laserimpulsen einstellbarer dauer - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung von laserimpulsen einstellbarer dauer

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    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • AHUMAN NECESSITIES
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    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B18/18Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves
    • A61B18/20Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser
    • A61B18/22Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser the beam being directed along or through a flexible conduit, e.g. an optical fibre; Couplings or hand-pieces therefor
    • A61B18/26Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser the beam being directed along or through a flexible conduit, e.g. an optical fibre; Couplings or hand-pieces therefor for producing a shock wave, e.g. laser lithotripsy

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeu­ gung von Laserimpulsen variierbarer Dauer mit einem Neo­ dym-YAG-Laser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Laser, bei denen ein Neodym-YAG-Kristall als Lasermedium verwendet wird, sind in vielfältigen Ausführungen bekannt.
Gepulste Neodym-YAG-Laser, die in den Betriebsarten "Q- Switch oder Mode-Lock" betrieben werden, finden unter anderem vielfältige Anwendungen in der Medizin, beispiel­ sweise zur Behandlung der vorderen Augenmedien, zur Zer­ trümmerung von Konkrementen im menschlichen Körper, wie Nierensteinen usw..
Bekannte gepulste Neodym-YAG-Laser sind beispielsweise die Laser MQL10, OPL3F oder OPL4 der Meditec Reinhardt Thyzel GmbH.
Ferner sind sogenannte Dauerstrich-Neodym-YAG-Laser be­ kannt, d.h. Laser, die Laserlicht nicht in Form von Im­ pulsen, sondern in Form eines "Dauerstrichs" abgeben. Bekannte Dauerstrich-Neodym-YAG-Laser sind beispielsweise die Laser der SL500/900-Serie der Fa. Spektron Laser Sy­ stems.
Auf die vorgenannten bekannten Impuls- bzw. Dauerstrich- Neodym-YAG-Laser wird im übrigen zur Offenbarung aller hier nicht näher erläuterten Begriffe ausdrücklich Bezug genommen.
Bei verschiedenen Anwendungen von Neodym-YAG-Lasern und insbesondere bei der Laser-induzierten Stoßwellen-Litho­ tripsie tritt nun folgendes Problem auf:
Bei der Laser-induzierten Stoßwellen-Lithotripsie werden nach dem Stand der Technik Q-Switch Neodym-YAG-Laser ver­ wendet. Diese Laser haben typischerweise eine Impulsbreite von 5 bis 20 ns. Bei den zur Stoßwellen-Lithotripsie benö­ tigten Impulsenergien ergibt sich bei derart kurzen Im­ pulsdauern eine vergleichsweise hohe Impulsleistung.
Hohe Impulsleistungen können aber insbesondere dann, wenn zum Führen des Laserstrahls eine vergleichsweise dünne Lichtleitfaser verwendet wird, wie dies beispielsweise in Endoskopen erforderlich ist, zu Problemen führen; bei­ spielsweise kann bei einer "schlechten Einkoppelung" des Laserstrahls die Lichtleitfaser in vergleichsweise kurzer Zeit beschädigt werden.
Andererseits ist es bekannt, sogenannte Dauerstrich-Neo­ dym-YAG-Laser mittels eines zusätzlichen optischen Ele­ ments "zu pulsen". Hierdurch erhält man zwar vergleichs­ weise große Impulsbreiten in der Größenordnung von 100 ns und darüber, die erreichbare Impulsleistung bzw. die Impulsenergie ist aber - wenn nicht ein unverhältnismäßi­ ger Aufwand bei der Leistung des Dauerstrich-Lasers ge­ trieben wird - vergleichsweise klein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Neodym- YAG-Laser derart weiterzubilden, daß bei vergleichsweise großen Impulsenergien bzw. -leistungen die Impulsbreite bis zu mehreren 100 ns einstellbar ist.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.
Eine Lösung der erfindungsgemäß gestellten Aufgabe gelingt überraschenderweise dadurch, daß von einer Vorrichtung zur Erzeugung von Laserimpulsen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, also von einem sogenannten Dauerstrich- Neodym-YAG-Laser ausgegangen wird, in dessen Strahlengang ein optischer Verschluß angeordnet ist, der diesen öffnet bzw. schließt.
Die bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Laserimpulsen beispielsweise zur Zertrümmerung von Nierensteinen oder Gallensteinen unbefriedigende Impuls­ leistung wird erfindungsgemäß dadurch erhöht, daß im "Dauerstrichlaser-Strahlengang" nach dem Verschluß und außerhalb des Resonators des Dauerstrich-Neodym-YAG-Lasers ein optischer Verstärker für die Lichtimpulse angeordnet ist, der die Lichtimpulse auf die gewünschte Leistung verstärkt.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben:
Zwar ist es möglich, für den optischen Verstärker belie­ bige Verstärker zu verwenden, sofern diese nur in der Lage sind, Lichtimpulse mit der jeweils selektierten Wellenlän­ ge von Neodym-YAG-Kristallen zu verstärken. Eine besonders vorteilhafte Ausbildung eines optischen Verstärkers ist aber im Patentanspruch 2 gekennzeichnet:
Gemäß diesem Anspruch weist der optische Verstärker einen Neodym-YAG-Kristall auf, der mit einer Blitzlampe gepumpt wird, deren Auslösen mit dem Öffnen des Verschlusses syn­ chronisiert ist.
Eine derartige Anordnung, bei der im Strahlengang eines Dauerstrich-Neodym-YAG-Lasers, aber außerhalb des Resona­ tors dieses Lasers, ein weiterer Neodym-YAG-Kristall ange­ ordnet ist, hat eine Reihe von Vorteilen:
Zum einen ist die Verstärkung durch einen weiteren Neodym- YAG-Kristall besonders effizient.
Zum anderen läßt sich durch entsprechende Steuerung der Dauer und der Leistung des Blitzimpulses der Blitzlampe das Verstärkungsverhältnis des "optischen Verstärkers" in vergleichsweise großen Grenzen einstellen.
Vor allem aber ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auf­ grund dieser Ausbildung des optischen Verstärkers ohne Entfernung optischer Komponenten aus dem Strahlengang auf die Funktion eines "normalen" Dauerstrich-Neodym-YAG- Lasers umschaltbar: Hierzu ist es lediglich erforderlich, daß der optische Verschluß "dauernd geöffnet" wird, und keine Anregung des zusätzlichen Neodym-YAG-Kristalls er­ folgt, der im nicht angeregten Zustand für Laserlicht mit der Emissionswellenlänge von Neodym-YAG-Kristallen trans­ parent ist. Damit tritt aus der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung der "normale" Strahl eines Dauerstrich-Neodym-YAG- Lasers aus.
Mit einer derartigen Anordnung ist es ohne weiteres mög­ lich, die Impulsdauer (in üblicher Weise definiert) wenig­ stens zwischen 100 ns und 300 ns bei typischen Impulsener­ gien von 60 mJ bis 90 mJ zu variieren. Selbstverständlich ist es je nach Ausbildung des Dauerstrich-Neodym-YAG- Lasers und des zusätzlichen Neodym-YAG-Kristalls aber auch möglich, wesentlich größere Impulsenergien zu erreichen.
Vor allem aber ist es möglich, vergleichsweise große Im­ pulsfolgefrequenzen im Bereich zwischen 1 kHz bis 30 kHz zu erzielen.
In jedem Falle ist es besonders vorteilhaft, wenn der optische Verschluß innerhalb des Resonators des Dauer­ strich-Neodym-YAG-Lasers angeordnet (Anspruch 3) und in an sich bekannter Weise als akusto-optischer Modulator ausge­ bildet ist (Anspruch 4).
Im übrigen kann der Dauerstrich-Neodym-YAG-Laser in an sich bekannter Weise ausgebildet sein. Zur Ausbildung des Dauerstrich-Neodym-YAG-Lasers wird beispielsweise auf die bereits erwähnten Dauerstrich-Laser SL500/900 der Fa. Spektron Lasers Systems verwiesen.
Insbesondere kann der Dauerstrich-Neodym-YAG-Laser gütege­ schaltet sein (Anspruch 5) und mittels einer Edelgas- Hochdrucklampe, beispielsweise einer Xenon- oder Krypton- Lampe gepumpt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Laser­ impulsen einstellbarer Dauer und variierbarer Impulsener­ gie kann selbstverständlich zu beliebigen Zwecken, bei­ spielsweise in der Materialbearbeitung, der wissenschaft­ lichen Forschung oder der Meß- und Prüftechnik eingesetzt werden.
Besonders vorteilhafte Verwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind in den Ansprüchen 8f gekennzeichnet.
Durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere zur Laser-induzierten Stoßwellen-Lithotripsie, erhält man einerseits eine besonders effektive Zerstörung beispielsweise von Nieren- oder Gallensteinen, anderer­ seits aber eine lange Lebensdauer und ein problemloses "Handling" des als "Deliverey"-System eingesetzten Licht­ wellenleiters der im Anspruch 10 angegebenen Größe.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher beschrieben, die schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen an sich be­ kannten Dauerstrich-Neodym-YAG-Laser auf, der mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist.
Der Dauerstrich-Laser 1 besteht im wesentlichen aus einem Neodym-YAG-Kristall 2, den eine Edelgas-Hochdrucklampe 8, beispielsweise eine Xenon- oder Krypton-Hochdrucklampe pumpt. Der Dauerstrich-Laser 1 weist ferner Resonatoren 3 1 und 3 2 auf, innerhalb derer ein akusto-optischer Modulator 4 im Strahlengang 9 des Lasers 1 angeordnet ist.
Der akusto-optische Modulator 4 öffnet und schließt den Strahlengang 9 des Lasers 1. Eine Steuereinheit 5, die in an sich bekannter Weise aufgebaut ist, betätigt den Modu­ lator 4 und ermöglicht ein Einstellen der Öffnungszeiten und der Folgefrequenz der Durchlaßperioden des Modulators 4.
Außerhalb der Resonatorspiegel 3 1 und 3 2 ist im Strahlen­ gang 9′ des Dauerstrich-Lasers 1 ein weiterer Neodym-YAG- Kristall 6 angeordnet, den eine Blitzlampe 7 pumpt. Das Aufleuchten der Blitzlampe 7 steuert ebenfalls die Steuer­ einheit 5 synchron zu den Öffnungsvorgängen des akusto- optischen Modulators 4.
Der mit einer Blitzlampe 7 gepumpte Neodym-YAG-Kristall 6 wirkt damit als optischer Verstärker der aus dem "gepulsten Dauerstrich-Neodym-YAG-Lasers" 1 austretenden Laserimpulse, sofern der Neodym-YAG-Kristall 6 sich beim Hindurchtreten des Laserimpulses in einem ausreichend angeregten Zustand befindet.
Andererseits ist der Neodym-YAG-Kristall 6 für das Licht des Lasers 1 nahezu vollständig transparent, wenn der Neodym-YAG-Kristall 6 "nicht angeregt" ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat damit den Vorteil, daß sie zum einen Laserimpulse einstellbarer Dauer und einstellbarer Impulsenergie bereitstellt. Die Impulsdauer (Zeitabstand zwischen der halben Maximalenergie) kann dabei typischerweise zwischen weniger als 100 ns und mehr als 300 ns variiert werden. Die Impuls-Folgefrequenz kann typischerweise zwischen 1 kHz und 30 kHz eingestellt wer­ den.
Bei Verwendung eines "Dauerstrich-Neodym-YAG-Lasers", der entsprechend der bereits erwähnten SL500/900 Serie der Fa. Spektron Lasers Systems aufgebaut ist, und bei Einsatz eines entsprechend angepaßten Neodym-YAG-Kristalls 6 ist die Impulsenergie typischerweise zwischen weniger als 50 mJ und mehr als 100 mJ variierbar. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, Laserimpulse oder "Dauerstrich- Laserlicht" ohne optische Verstärkung dadurch abzugeben, daß der Neodym-YAG-Kristall 6 nicht gepumpt wird.
Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan­ kens, wie er sich insbesondere aus den Ansprüchen ergibt, beschrieben worden. Insbesondere ist es selbstverständ­ lich, daß anstelle der nur beispielhaft erwähnten Laser- Bauteile auch Bauteile bzw. Laserkomponenten anderer Fir­ men eingesetzt werden können. Ferner kann die Ausbildung der Pumpquellen und/oder die Koppelung zwischen Modulator und Pumpquelle des zusätzlichen Kristalls 6 anders reali­ siert sein.
In jedem Falle erhält man jedoch eine Vorrichtung, die Laserimpulse abgibt, deren Impulsdauer und Impulsenergie in einem großen Bereich bei hoher Impuls-Folgefrequenz einstellbar sind.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Laserimpulsen einstell­ barer Dauer mit einem sog. Dauerstrich-Neodym-YAG-Laser, in dessen Strahlengang ein optischer Verschluß angeordnet ist, der diesen öffnet bzw. schließt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Lichtimpuls- Leistung im Strahlengang (9) des Dauerstrich-Neodym-YAG- Lasers (1) nach dem Verschluß (4) und außerhalb des Reso­ nators (3 1, 3 2) ein optischer Verstärker (6, 7) für die Lichtimpulse angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Verstärker ein mit einer Blitzlampe (7) gepumpter Neodym-YAG-Kristall (6) ist, und daß die Blitzlampe mit dem Verschluß (4) synchronisiert ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Verschluß (4) innerhalb des Resonators (3 1, 3 2) des Dauerstrich-Neodym- YAG-Lasers (1) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Verschluß ein akusto-optischer Modulator (4) ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauerstrich-Neodym-YAG- Laser (1) gütegeschaltet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Neodym-YAG-Kristall (2) des Dauerstrichlasers von einer Edelgas-Hochdrucklampe (8) gepumpt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer zwischen ca. 100 ns und 300 ns variierbar ist.
8. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Behandlung von biologischem Gewebe.
9. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Zertrümmerung von Konkrementen im menschlichen Körper.
10. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Zertrümmerung von Nieren- und oder Gallen­ steinen in Verbindung mit einem Endoskop, das eine Licht­ leitfaser mit einem Kerndurchmesser von 400 bis 600 µm aufweist.
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