DE4213457A1 - Neodymlaser langer wellenlaenge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Neodymlaser langer Wellenlänge, der für medizinische Anwendungen einsetzbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Aufgabenstellung, die Ausgangsleistung eines Neodymlaser, insbesondere im Wellenlängenbereich von 1,44 µm, zu erhöhen ist ein schwieriges und vielfach bearbeitetes Problem. Bei der Konstruktion von Neodymlasern, die im Wellenlängenbereich um 1,44 µm emittieren (zwischen 1,4 bis 1,5 µm, wobei diese Strahlung dem Übergang zwischen den Zuständen ⁴I_{9 / 2} und ⁴I_{5 / 2} entspricht und die emittierte Wellenlänge vom Wirtsgefüge abhängt), beeinflussen verschiedene Faktoren die Ausgangs­ leistung. Dazu zählen die Länge (L) und der Durchmesser (D) des Wirtskristalles, der Dotierungsgrad (N) des Wirtsgefüges mit Neodym, die Intensität der Anregung, die an dem Kristall angelegt wird und die Reflektivität (R) der Spiegel die den optischen Hohlraum bzw. Resonator bilden. Als ein Beispiel für die existierenden Schwierigkeiten beim Erhöhen der Aus­ gangsleistung sei angeführt, daß eine übermäßige Erhöhung der Anregungsintensität die Bildung thermischer Linsen innerhalb des Kristalles zur Folge hat, die wiederum eine bedeutend schlechtere Strahlqualität des Laserstrahles zur Folge haben. Weiterhin sei aufgeführt, daß die Verstärkung des Lasers von L abhängt (die Verstärkung ist proportional zu e^L), wobei es jedoch schwierig ist, längere Laserkristalle zu ziehen. Der hohe Aufwand, längere Laserkristalle (länger als 15 cm) zu ziehen, ist allerdings nicht gerechtfertigt, da Strahlung bei 1,06 µm mit wachsendem L schwieriger zu unterdrücken ist. Des weiteren zeigt der Nd : YAG-Laser bei 1,44 µm Selbst-Absorp­ tion, d. h. ein Vergrößern von L hat auch eine vergrößerte und unerwünschte Selbst-Absorption zur Folge. Ähnlich negativ wirkt sich ein bloßes Vergrößern des Durchmessers (D) des Laserkristalles aus. So ist nicht unbedingt eine vergrößerte Ausgangsleistung die Folge, da ein vergrößerter Durchmesser (D) ebenfalls die Bildung thermischer Linsen und ein un­ gleichmäßiges Pumpen zur Folge hat.

Neodymlaser arbeiten normalerweise mit einer Neodym-Dotierung von 1 N, wobei N (normal) definiert ist als ein Dotierungs­ anteil von 1,1 Gew.-% Neodym im Wirtskristall. Diese Dotie­ rungs-Konzentration ist festgelegt durch die optimale Lumi­ neszenz des Ausgangsstrahles eines Neodymlasers bei der Va­ riation der Neodym-Konzentration. Eine graphische Darstel­ lung, die den Zusammenhang zwischen der Neodym-Konzentration und der Lumineszenz des Ausgangsstrahles bei 1,06 µm für Neodymlaser veranschaulicht, ist in Laser Crystals, Alex A. Kaminsky, Springer, Seite 330 zu finden. Die optimale Lumi­ neszenz, d. h. der Lumineszenz-Peak, zeigt sich bei einer Dotierungs-Konzentration von 1,1 Gew.-%, während die Lumines­ zenz sich schnell verschlechtert, sobald Dotierungs-Konzen­ trationen von etwa 0,7 N erreicht werden. Für eine Dotie­ rungs-Konzentration von etwa 0,3 N ist nur noch der halbe Lumineszenz-Peak zu beobachten.

Bei einem Nd : YAG-Laser mit einer Dotierungs-Konzentration N, ist die Reflektivität R des Auskoppel-Spiegels normalerweise über das Rigrod-Modell gegeben, das üblicherweise als Standard-Modell verwendet wird. In diesem Modell ist die Laser-Schwelle als diejenige Schwelle festgelegt, bei der die Laser-Verstärkung die kombinierten Verluste aus Absorption im Wirtskristall und Transmission durch den Auskoppel-Spiegel ausgleicht. Der Normalbetrieb des Lasers erfolgt dann norma­ lerweise beim fünffachen dieses Laser-Schwellwertes. Da ein Erhöhen von N auch die Absorption des Ausgangsstrahles bei 1,44 µm erhöht, ohne die Verstärkung wesentlich zu ver­ größern, ist demzufolge ein Erhöhen von N immer mit einem Anheben der Laser-Schwelle verbunden. Diese Tatsache in Ver­ bindung mit den Einschränkungen seitens des Laser-Kristalles und der angelegten Anregung hat bislang immer zu der Auffas­ sung geführt, daß das Neodym-Ion als laseraktives Ion für einen Laser ungeeignet sei, der bei 1,44 µm emittiert.

Wie im US-Patent 50 48 043 beschrieben, läßt sich eine zu­ friedenstellende Ausgangsleistung eines Neodymlasers bei etwa 1,44 µm jedoch erreichen, indem eine gepulste Anregung be­ trieben wird und gleichzeitig eine Optik eingesetzt wird, die Strahlung bei 1,06 µm unterdrückt. Dies war insofern ein überraschendes Ergebnis, als bislang eine derartige Vorrich­ tung als ungeeignet angesehen wurde, damit eine ausreichende Ausgangsleistung zu erzielen. Eine höhere Ausgangsleistung als bislang üblich wurde erreicht, indem ein Auskoppel- Spiegel verwendet wurde, der eine Reflektivität von 80% bei 1,44 µm besitzt und der Wirtskristall eine Neodym-Konzentra­ tion von 1 N aufweist. Jedoch sind für bestimmte medizinische Anwendungen noch höhere Ausgangsleistungen erwünscht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Aus­ gangsleistung eines Neodymlasers langer Wellenlänge wesent­ lich zu erhöhen.

Dies wird erreicht durch einen Neodymlaser mit dem im An­ spruch 1 angegebenem Merkmal.

Überraschenderweise ist der Laserbetrieb entgegen den Vorher­ sagen des Rigrod-Modelles auch mit einer Neodym-Konzentration zwischen 0,3 N und 0,7 N möglich. Ebenfalls überraschend ist die Tatsache, daß damit sogar eine höhere Ausgangsleistung realisierbar ist. Dies ist insbesondere - gemäß Unteranspruch 2 - der Fall, wenn bei einer Dotierungs-Konzentration von etwa 0,4 N die Reflektivität des Auskoppel-Spiegels bei etwa 90% liegt. Demgegenüber würde das Rigrod-Modell eine notwen­ dige Reflektivität des Auskoppelspiegels von 80% fordern.

Weitere Vorteile und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Neo­ dymlasers langer Wellenlänge ergeben sich aus der nachfolgen­ den Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der bei­ gefügten Zeichnung.

Im schematisch dargestellten Nd : YAG-Laser der beigefügten Zeichnung ist die erfindungsgemäße Idee realisiert. Die Figur zeigt einen Nd : YAG-Laser, der so ausgebildet ist, daß er einen Lichtstrahl mit der Wellenlänge 1,44 µm für den Schneidmodus oder einen Lichtstrahl mit der Wellenlänge 1,06 µm für den Koagulationsmodus liefert. Der Nd : YAG-Laser umfaßt einen Laserstab (1) und eine Pumplichtquelle bzw. Lampe (2) in einem Laser-Resonator (3), eine Schaltung (4) zum gepulsten oder kontinuierlichen Betrieb der Lampe (2) sowie ein Spiegel-Karussell (5).

Der Laserstab (1) besteht aus konventionellem Nd : YAG-Mate­ rial, wobei eine Nd-Dotierung zwischen 3,3 und 6,6 Gew.-% des YAG-Wirtskristalles vorgesehen ist (0,3-0,7 N), bevorzugt 4,4 Gew.-% (0,4 N). Konventionelles Nd : YAG-Material besteht aus einem dreifach ionisierten Neodym-Ion, das in ein kri­ stallines oder aber in ein gläsernes Wirtsgefüge eingebaut ist. Das gebräuchlichste Wirtsgefüge, das auch für den dar­ gestellten Laserstab (1) bevorzugt wird, ist Yttrium-Alumi­ nium-Granat, allgemein unter seinem Akronym YAG bekannt. YAG ist ein synthetisches, hartes und sprödes Material, mit ru­ binartiger Struktur und besitzt die chemische Formel U₃ Al₅ O₁₂. YAG ist zwar das bevorzugte kristalline Wirtsma­ terial für Neodym, Alternativen zu YAG, die für den Laserstab (1) verwendbar sind, sind jedoch Yttrium-Lithium-Fluorid, allgemein als YLF bekannt und Yttrium-Aluminat, allgemein als YALO bekannt. Da mit dem Kristallwachstum zusammenhängende Probleme die Höchstlänge von YAG-Stäben für die meisten prak­ tischen Einsatzzwecke auf etwa 10 cm begrenzen, kann ferner auch Glas als Wirtsgefüge für Scheiben oder Stäbe verwendet werden, die größer als normale YAG-Stäbe sein müssen, um eine höhere Ausgangsleistung und -Energie zu liefern.

Der Laserstab (1) hat bevorzugterweise eine Länge von ca. 10 cm und einen Durchmesser von etwa 0,7 cm. Die entgegenge­ setzten Enden des Stabes sind poliert und in üblicher Weise beschichtet, so daß ein minimales Reflexionsvermögen bei den Wellenlängen 1,06 µm und 1,32 µm resultiert. Es ist besonders darauf zu achten, daß möglichst ein Laserstab (1) mit minima­ lem Selbst-Absorptionsvermögen eingesetzt wird. Dabei ist gleichzeitig zu beachten, daß die Absorption nicht zu gering wird, da ansonsten keine Verstärkung möglich ist. Bei einer Wellenlänge von 1,44 µm beträgt die Absorption ca. 1% pro Zentimeter für einen Nd : YAG-Laserstab mit N=1 bzw. 0,4% bei N=0,4. Dies bedeutet, daß die Verwendung eines 10 cm langen Stabes innerhalb des Resonator-Hohlraums (3) mit einer Dotierung N=0,4 einen Gesamtverlust von etwa 8% im Laser- Resonator bzw. durch die verwendeten Spiegel zur Folge hat. In der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, daß mit einem Wert von N zwischen 0,3 und 0,7 die maximale Ausgangs­ leistung erreicht werden kann.

Der Laser-Hohlraum (3) bzw. Laser-Resonator wird durch ein reflektierendes Gehäuse (6) mit Ellipsenquerschnitt gebildet. Das Gehäuse (6) besteht aus Kupfer mit einer Goldbeschich­ tung auf seiner inneren Hohlraumfläche, um derart als Lampen­ licht-Reflektor zu wirken. Metallbeschichtetes Glas kann ebenfalls als Laser-Resonator-Material verwendet werden. Die zum Pumpen des Lasers verwendete Lampe (2) und der Laserstab (1) liegen konventionellerweise längs den beiden Brennpunkten des elliptischen Innenraums des Laser-Hohlraumes (3). Der Laserstab und die Lampe werden wassergekühlt, indem entioni­ siertes Wasser durch Röhren geleitet wird, die sowohl den Laserstab (1) als auch die Lampe (2) umgeben. Dies ist durch den Pfeil (7) schematisch angedeutet. Diese Strömungsrohre können entweder aus Quarz oder aus samarium-dotiertem Glas bestehen. Typischerweise strömt im Laser-Hohlraum (3) Kühl­ wasser mit einem Durchsatz von wenigstens 15,1 Liter pro Minute.

Verschiedene andere Ausbildungen des Laser-Hohlraumes bzw. des Resonators sind ebenfalls für den erfindungsgemäßen Ein­ satz denkbar. Wie bereits angegeben, werden bei der bevorzug­ ten Ausbildung die Lampe (2) und der Laserstab (1) längs zu den beiden Brennpunkten des elliptischen Laser-Hohlraumes (3) angeordnet. Die geometrischen Eigenschaften des reflektie­ renden, elliptischen Laser-Hohlraumes (3) garantieren bei einer derartigen Anordnung, daß das Pumplicht von der Lampe (2) zum Laserstab (1) übertragen wird. Eine weitere Möglich­ keit besteht darin, die Lampe (2) nächst dem Laserstab (1) in enger Kopplung anzuordnen, wobei Laserstab (1) und Lampe (2) im Zentrum eines zylindrischen, reflektierenden Resonators einander unmittelbar benachbart sind. Ferner können zwei Lampen und ein Laserstab in einem doppel-elliptischen Resona­ tor angeordnet werden, der im Querschnitt wie zwei einander überlappende Ellipsen aussieht, wobei die Lampen längs zu den beiden Brennpunkten des Gehäuses und der Laserstab längs zum gemeinsamen Brennpunkt der beiden Ellipsen angeordnet sind.

Die Lampe (2) ist bevorzugt als Krypton-Bogenlampe ausge­ führt, die sich für eine Lasertätigkeit bei 1,44 µm als ge­ eignet erwiesen hat. Typischerweise hat die Lampe (2) einen Innendurchmesser von 7 mm und eine Länge von 10 cm. Eine Lampe mit diesen Maßen kann der erforderlichen hohen Puls­ stromfrequenz, die für den Betrieb erforderlich ist, stand­ halten. Üblicherweise wird die Lampe (2) für den Laserbetrieb bei 1,44 µm bei der gepulsten Anregung mit einer Anregungs­ spannung von ca. 600 Volt für die Dauer von einer Millisekun­ de und einer Pulsfrequenz von 30 bis 100 Pulsen pro Sekunde betrieben. Die erwähnte Krypton-Bogenlampe (2) hat sich als ebenfalls geeignet für den Betrieb mit kontinuierlichem Strom bis zu 50 Ampere bei einer Wellenlänge von 1,06 µm erwiesen. Neben der bevorzugten Krypton-Bogenlampe können jedoch auch andere Lichtquellen, beispielsweise eine Wolfram-Lampe oder eine andere kontinuierlich brennende Bogenlampe oder aber eine Xenon-Blitzlampe, die Lichtpulse erzeugt, verwendet wer­ den.

Die Lampe (2), üblicherweise als "Pumplichtquelle" bezeich­ net, emittiert ein breites Wellenlängenspektrum. Unabhängig vom Wirtsgefüge absorbieren die Neodym-Ionen jedoch in einem engen Wellenlängenbereich zwischen 0,7 und 0,8 µm am stärk­ sten. Bei einer Absorption von Photonen in diesem Wellenlän­ genbereich erfolgt eine Anregung der Neodym-Ionen vom Grund­ zustand in ein höheres Energie-Niveau, von dem aus sie wieder auf ein metastabiles Niveau zurückkehren. Dieses ist verant­ wortlich für Fluoreszenzstrahlung bei verschiedenen Wellen­ längen, und zwar 1,06 µm, 1,32 µm und 1,44 µm. Die Lasertä­ tigkeit tritt bevorzugt für den 1,06-µm-Übergang auf, da die Laserverstärkung für diesen Übergang am größten ist, wenn nicht die Laser-Reflektoren bzw. die entsprechende Optik wellenlängenselektiv ausgebildet ist, so daß die 1,06-µm- Laseroszillation unterdrückt wird.

Die Lampe (2) wird von einer Gleichstromversorgung (8) kon­ ventioneller Auslegung gespeist, die an die Ansteuerelektro­ nik über Leitungen (9) und (10) angeschlossen ist. Diese Gleichstromversorgung liefert einen Strom von typischerweise 10 Ampere an die Lampe, wobei dieser Strom auf dem Gebiet der Lasertechnik als Ruhestrom bezeichnet wird. Der Ruhestrom hält die Lampe (2) zwischen Strompulsen in einem leitenden Zustand. Die Leitungen (9) und (10) sind an Kabel (11) bzw. (12) angeschlossen, die ihrerseits mit den anderen Enden an einen Schaltkreis bzw. "Unterbrecher" (13) angeschlossen sind. Der Unterbrecherkreis (13) versorgt die Lampe (2) mit 600 Volt bei einem typischen Strom von 300 Ampere für eine Millisekunde mit einer Pulsfrequenz von 30 Pulsen pro Sekun­ de, so daß typischerweise eine mittlere Laserausgangsleistung von 50 Watt bei der Wellenlänge 1,44 µm resultiert. Der Un­ terbrecherkreis (13) arbeitet ebenfalls mit einer Frequenz von etwa 1 kHz, wenn die Lampe (2) kontinuierlich betrieben werden soll. Im kontinuierlichen Anregungs-Betrieb der Lampe muß der Strom durch Einschalten eines Glättungsfilters in die Schaltung gemittelt werden. Zu diesem Zweck wird der 1-kHz- Impulszug vom Unterbrecherkreis (13) mit Hilfe eines Konden­ sators (14) gemittelt, der parallel zur Lampe (2) geschaltet ist, wobei der verwendete Kondensator (14) eine Nennkapazität von 0,009 F hat. Zusätzlich schaltet ein Relais (15) den Glättungskondensator (14) in den Schaltkreis ein bzw. trennt ihn davon, je nachdem, ob gepulste oder kontinuierliche Anre­ gung gewünscht wird. Zum Beispiel beträgt der mittlere Strom für die kontinuierliche Anregung üblicherweise 45 Ampere, wobei eine Laserausgangsleistung von 100 Watt bei der Wellenlänge 1,06 µm entwickelt wird. Die Figur zeigt ferner, daß die Lampe (2) in üblicher Weise durch einen Einschalt-Transformator (16) eingeschaltet wird, der konventionell als serienmäßiger Hoch­ spannungs-Impulsüberträger mit eigener unabhängiger Ansteuer­ elektronik (17) ausgeführt ist.

Das Spiegelkarussell (5) besteht aus einer verschiebbaren Spiegelbefestigung, die zwei oder mehr Sätze Laser-Reflekto­ ren (18, 18′) und (19, 19′) enthält, die jeweils in konven­ tionellen Laserreflektor-Verstellvorrichtungen (20, 21) ange­ ordnet sind. Das Spiegelkarussell (5) umfaßt ferner ein Ver­ bindungselement (22), das die Verstellvorrichtungen (20, 21) derart miteinander verbindet, daß jeder Reflektorsatz (18, 18′) bzw. (19, 19′) im Tandembetrieb bewegbar ist. Das Spie­ gelkarussell (5) ist zwischen einer ersten Stellung, in der die Reflektoren (18, 18′) einen Laser-Resonator bilden, in dem der Laserstab eine Laser-Wellenlänge von 1,06 µm emit­ tiert und einer zweiten Stellung umschaltbar, in der die Reflektoren (19, 19′), die an die Enden des Laserstabes (1) angrenzen die Emission einer Laser-Wellenlänge von 1,44 µm ermöglichen. Zum Antreiben des Spiegelkarussells (5) zwischen den verschiedenen Stellungen kann gemäß der Zeichnung an der Verstellvorrichtung (20) ein Zugelement, z. B. ein Seil, oder dergleichen um zwei Seilscheiben (24) bzw. (25) geführt sein, die an Halterungen (26) bzw. (27) montiert sind. Die Halte­ rungen (26, 27) ihrerseits sind wiederum an einem Stützele­ ment (28) befestigt. Die Seilscheibe (24) wird dabei von einem Elektromotor (31) angetrieben und bewegt das Spiegel­ karussell (5) nach oben oder unten, um entweder die Laser- Reflektoren (18, 18′) oder aber (19, 19′) richtig an den Enden des Laserstabes (1) zu positionieren, so daß die ent­ sprechende Laser-Wellenlänge von 1,06 µm oder aber 1,44 µm erzeugt wird.

Die für die Erzielung der Lasertätigkeit bei 1,44 µm einge­ setzten Reflektoren müssen bei 1,44 µm reflektieren, während sie bei 1,06 µm und 1,32 µm möglichst durchlässig sein müs­ sen. Zum Beispiel bestehen die Reflektoren, die zum Erreichen einer hohen mittleren Leistung bei 1,44 µm mit einer Dotierungs- Konzentration N=0,4 verwendet werden, bevorzugt aus einem Reflektor, der bei 1,44 µm um 100%, bei 1,32 µm um 50% und bei 1,06 µm um 10% Reflexionsvermögen aufweist. Ein weiterer Reflektor weist bei 1,44 µm um 90%, bei 1,32 µm um 20% und bei 1,06 µm 5% Reflektivität auf. Zusätzlich kann an den Laserstab angrenzend und innerhalb des Laser-Resonators ein durchlässiges Silizium-Fenster mit einer Dicke von etwa 1 cm, das für 1,44 µm reflexmindernd beschichtet ist, angeordnet sein. Silizium absorbiert bei 1,06 µm annähernd 100% und dient deshalb dazu, die Laseroszillation bei 1,06 µm zu un­ terdrücken. Durch den zusätzlichen Einbau eines derartigen Elementes werden Laserschwingungen auch dann unterdrückt, wenn die Laser-Reflektoren bei einer Wellenlänge von 1,06 µm hochreflektierend sind. Für die Wellenlängen-Selektion können auch andere Elemente, wie beispielsweise Prismen oder aber Beugungsgitter verwendet werden. Wenn derartige Reflektoren mit den entsprechenden Reflexions- bzw. Transmissionscharak­ teristiken in der Nähe der Enden des Laserstabes (1) angeord­ net sind, resultiert damit eine Laserausgangsleistung mit einer mittleren Leistung von mindestens 100 Watt aufwärts.

Zum Übertragen des 1,44-µm-Laserstrahles kann ebenfalls ein Quarzleiter (29) verwendet werden. Dieser ist typischerweise als Quarzleiter mit einem Kern von 600 µm Durchmesser ausge­ führt. Da üblicherweise Quarz im Bereich 1,44 µm aufgrund von eingeschlossenem Wasser absorbiert, ist die Verwendung eines wasserfreien Quarzleiters vorteilhaft, bei dem nur eine ver­ nachlässigbare Absorbtion auftritt. Somit ist es möglich, sowohl den 1,06-µm-Koagulationsstrahl als auch den 1,44-µm- Schneidstrahl durch den selben Quarzleiter (29) zu übertra­ gen.

Der Laserstrahl aus dem Laserstab (1) wird dabei mit einer Linse (30) auf den Quarzleiter (29) fokussiert. Die Linse (30) ist für 1,06 µm und 1,44 µm reflexmindernd beschichtet und hat eine Brennweite von üblicherweise ca. 2 cm.

Neben dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind für den Fachmann verschiedene weitere Ausführungsformen innerhalb der Erfindung evident.

Claims (3)

1. Neodymlaser langer Wellenlänge mit

• - einem Gehäuse (6) mit einem reflektierenden optischen Hohlraum (3),
• - einem im optischen Hohlraum (3) angeordnetem Laserstab (1), der aus einem neodym-dotierten kristallinen oder gläsernen Wirtsgefüge besteht,
• - einer im optischen Hohlraum (3) dem Laserstab (1) benachbart angeordneten Pumplampe (2), die als Pump- Lichtquelle für den Laserstab (1) dient,
• - einer Ansteuervorrichtung mit einer Schaltung (8-13) zur Speisung der Pumplampe (2) unter Erzeugung inter­ mittierender Lichtimpulse der Pumplampe (2),
• - Wellenlängenauswahl-Elementen (18, 18′; 19, 19′), die eine maximale Reflexion zwischen einer Wellenlänge von 1,4 µm-1,5 µm gewährleisten und eine minimale Refle­ xion bei anderen Wellenlängen aufweisen, um eine Laser- Oszillation im Wellenlängenbereich von 1,4 µm-1,5 µm zu ermöglichen,

dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstab (1) eine Neo­ dym-Konzentration zwischen 0,3 N und 0,7 N aufweist.

2. Neodymlaser langer Wellenlänge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neodym-Konzentration etwa 0,4 N beträgt und die Wellenlängenauswahl-Elemente (18, 18′; 19, 19′) mindestens einen Reflektor umfassen, der eine Reflektivität von etwa 90% für eine Wellenlänge von 1,44 µm aufweist.