DE4310023A1 - Gütegeschalteter Langpuls-Festkörperlaser mit faseroptischer Resonatorverlängerung - Google Patents

Gütegeschalteter Langpuls-Festkörperlaser mit faseroptischer Resonatorverlängerung

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Description

Aufgabenstellung
Insbesondere für die Laserlithotripsie soll ein kompakter kostengünstig herstellbarer Laser ent­ wickelt werden, der die Nachteile bisher bekannter und marktgängiger Systeme im Hinblick auf Effi­ zienz und Herstellkosten vermeidet.
Stand der Technik
Aus den Druckschriften WO 90/12544, WO 90/04358, WO 91/05332 und AT-B-380634 sind Festkörperlasersysteme für die Laserlitho­ tripsie bekannt. Diese Systeme weisen jedoch den Nachteil auf, daß aufgrund der dort verfügbaren kurzen Pulslängen die Energie übertragende Faser sich im praktischen Gebrauch sehr schnell selbst zerstört. Darüber hinaus sind die technischen Auf­ bauten derartiger Lasersysteme sehr kostenintensiv und auch sehr serviceanfällig. Auf der anderen Seite hat es sich als günstig herausgestellt, mit einem sogenannten Doppelpuls zu arbeiten, bei dem der eine Puls zum eigentlichen energietragen­ den Puls blau verschoben ist, typischerweise die Harmonische der Grundwellenlänge darstellt. Diese Kombination erlaubt ein frühzeitiges Zünden des optischen Durchbruchs (Plasma) an der zu zer­ störenden Steinoberfläche und ermöglichen damit einen höheren Wirkungsgrad bei der Steinzer­ trümmerung. Allerdings zeigen auch diese soge­ nannten Doppelpulssysteme den Nachteil eines schnellen Faserabbrandes beim praktischen Ein­ satz.
Erfindungsgemäße Lösung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die Effi­ zienz der Steinzertrümmerung nicht nur vom frühestmöglichen Zünden eines Plasmas und der dadurch entstehenden Stoßwelle und der Erzeu­ gung von Kavitationsblasen abhängt, sondern ent­ scheidend durch die Erzeugung einer Einschluß­ bedingung für das Plasma mit nachfolgendem Ver­ dichtungsstoß bestimmt ist. Theoretische und expe­ rimentelle Untersuchungen der Erfinder konnten überraschenderweise bestätigen, daß optimale Ein­ schlußbedingungen unter Berücksichtigung der Laufzeit der akustischen Stoßwellen durch die Geometrie der energieapplizierenden Endfläche der Faser selbst gegeben sind. Als Faustregel wurde gefunden, daß die Pulsdauer für die optimale Ein­ schlußbedingung in Nanosekunden dem 1,5fachen des Durchmessers der energieapplizierenden Fasern in Mikrometern entspricht. Das heißt also beispielsweise, bei einer Q/Q-Faser mit 360 µm Kern, die einen Durchmesser am optischen Cladding von etwa 400 bis 420 µm besitzt - je nach Hersteller - ist die optimale Pulsdauer für die Lithotripsie ca. 600 bis 650 ns. Damit stellt sich als zweiter Schritt der erfinderischen Aufgabe die Entwicklung eines Festkörperlasersystems nach dem Doppelpulsverfahren mit einer Pulslänge, die je nach verwendeter Applikationsfaser zwischen 200 ns und 1 µs variiert werden kann. Gleichzeitig soll dieses Festkörperlasersystem möglichst kosten­ günstig herstellbar sein. Aus Kostengründen kom­ men daher nur neodymdotierte Laserkristalle, wie Nd:YAG und Nd:YAlO3 in Betracht, obwohl das Prinzip der erfindungsgemäßen Lösung auch auf jedes andere laseraktive Material zutrifft. Nd:YAG- oder Nd:YAlO3-Laserkristalle haben im normalen gütegeschalteten Betrieb allerdings lediglich Pulslängen zwischen 7 und 15 ns. Erfindungsgemäß wird diese Limitierung durch eine optische Verlängerung des Resonators mittels eines langen, zu einer Spule aufgewickelten optischen Wellenleiters überwunden. Für die als optimal erkannten Pulslängen von ca. 650 ns ist typischerweise eine Resonatorverlängerung mittels eines optischen Wellenleiters von ca. 18 cm Länge notwendig. Dabei ist erfindungswesentlich, daß durch die Einführung der Resonatorverlängerung mittels eines optischen Lichtwellenleiters - typischerweise einer Q/Q-Faser - nicht nur die Pulslänge des Lasersystems in weiten Bereichen in Abhängigkeit von der Faserlänge veränderbar ist - typischerweise zwischen 200 ns und 1 µs - ohne daß sich die abgegebene Pulsspitzenleistung wesentlich ändert (Variationen < 10%), sondern daß gleichzeitig durch den optischen Wellenleiter eine Glättung der sonst störenden Intensitäts­ oszillationen während eines Laserpulses erreicht wird. Diese Intensitätsoszillationen, sog. Spiking, trägt wesentlich mit zur Zerstörung der energieapplizierenden Faser bei, so daß durch die erfindungsgemäße Konstruktion eines gütegeschal­ teten Langpulslasers, wie in den nachstehenden Abbildungen einzeln beschrieben, neben der kostengünstigen Realisierung des langen gütege­ schalteten Pulses selbst, auch eine Glättung des zeitlichen Pulsprofils stattfindet.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht sodann ein erfindungsgemäßer gütegeschalteter Langpuls-Festkörperlaser für die Lithotripsie lediglich noch aus drei vorjustierbaren Baugruppen, die in Abb. 1 näher erläutert sind.
Abb. 1 zeigt eine bevorzugte optische Anordnung für einen Langpuls-Festkörperlithotripsielaser. Dabei besteht die Baugruppe 1 aus einer Fokussierlinse (1.3) der faseroptischen Resonator­ verlängerung (1.2) und einem gewölbten Resona­ torendspiegel (1.1), dessen Wölbung und Abstand zum Faseraustritt der Resonatorverlängerung (1.2) derart bemessen ist, daß unter Berücksichtigung der numerischen Apertur der Faser der Krümmungsradius etwa dem halben Abstand zwischen Faserendfläche und Spiegeloberfläche entspricht.
Die Baugruppe 2 beinhaltet eine Laserkavität nach dem Stand der Technik. Dabei entspricht (2.1) dem Laserkristall, vorzugsweise Nd:YAG oder Nd:YAlO3, (2.2) der Blitzlampe zum optischen Pumpen und (2.3) der Energieversorgung und Systemsteuerung.
Die Baugruppe 3 beinhaltet den teiltransparenten Resonator Endspiegel (3.4), einen nichtlinearen Kristall zur Frequenzverdopplung, typischerweise einen KTP-Kristall (3.3), sowie einen passiven Güteschalter, typischerweise Cr4+:YAG bzw. LiF(F2-) und einer Relaisoptik (3.1) zur Kollimie­ rung der Strahlung.
In Weiterführung des Erfindungsgedankens kann durch Einfügen einer polarisationsoptischen Bau­ gruppe, bestehend aus einem Brewster-Winkel­ polarisator und einem im wesentlichen rechtwinklig hierzu angeordneten Retroreflektor, zwischen ent­ weder den Bauelementen 1.2 und 1.3 der Bau­ gruppe 1 oder den Bauelementen 3.2 und 3.3 der Baugruppe 3 eine weitere Steigerung der Effizienz zur Erzeugung der ersten Harmonischen erreicht werden. Für das bevorzugte Ausführungsbeispiel lassen sich ausgehend von einem neodymdotierten YAG-Laserkristall von 5 mm Durchmesser und 5 cm Länge, bei einer Pumpenergie an der Blitz­ lampe von ca. 30 J folgende typische Ausgangs­ werte erreichen:
Pulsdauer, einstellbar zwischen 200 ns und 1 µs, abhängig von der Länge der Faserverlängerung im Resonator, bei ca. 20 m Faserlänge 160 mJ bei 1064 nm Grundemission und ca. 15 mJ bei 532 nm (2. Harmonische), ausgehend von einer Grundab­ sorption des passiven Güteschalters von ca. 25%. Dabei ändert sich bei Variationen der Pulslänge von 200 ns bis 1 µs die Ausgangsenergie lediglich um ca. 10%. Bei Verwendung von polarisierter Laserstrahlung, entweder durch Hinzufügen der erfindungsgemäßen zusätzlichen Baugruppe oder durch Verwendung eines doppelbrechenden Lasermaterials, wie beispielsweise Nd:YAlO3, erhöht sich die Ausgangsenergie der 2 Harmo­ nischen auf ca. 22 bis 25 mJ. Dabei beträgt der Kerndurchmesser der Resonatorverlängerung lediglich 280 µm, so daß unter Berücksichtigung der durch die numerische Apertur bedingten Divergenz die Übertragung der gesamt abgegebenen Energie durch eine 360 µm Kerndurchmesser Q/Q-Faser (4) zur Lithotripsie möglich ist.
Erfindungsgemäß wird eine weitere Steigerung der Zerstörungseffizienz zur Lithotripsie dadurch erreicht, daß der Laserkristall mit einer höheren als zur Erzeugung von Einzelpulsen notwendigen Pumpenergie angeregt wird. Bereits die Erhöhung um 30%, also auf ca. 40 J, hat die Emission einer Kaskade von Einzelimpulsen zur Folge, deren zeit­ licher Abstand bei einer Grundabsorption des Güteschalters von 25% bei ca. 50 µs liegt und deren zeitlicher Abstand bei Erhöhung der Grundabsorption um den Faktor 2 etwa halbiert werden kann. Diese Impulskaskade (auch Burst) genannt, führt zu einer wesentlichen Steigerung der Zerstörungseffizienz am Stein (5) bei der Lithotripsie, da durch die optimierten Einschlußbedingungen die Folgepulse unmittelbar zur Erzeugung von sequentiellen Verdichtungsstößen genutzt werden können.

Claims (10)

1. Gütegeschalteter Langpuls-Festkörperlaser für die Laserlithotripsie, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines passiven Güteschalters eine Pulsverlängerung durch eine Verlänge­ rung des Laseresonators mittels eines optischen Wellenleiters erreicht wird.
2. Langpuls-Festkörperlasersystem nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Effizienzsteigerung der Güteschaltung und der Frequenzverdopplung eine konfokale Anordnung, bestehend aus einer Kollima­ tionslinse und einem teildurchlässigen Konkavspiegel aufgebaut ist, wobei in der Strahltaille des Systems der passive Güte­ schalter und der Verdopplerkristall angeord­ net sind.
3. Langpuls-Festkörperlasersystem nach 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulslänge durch Wahl der faseroptischen Resonatorverlängerung zwischen 0,2 und 1 µs wählbar ist.
4. Langpuls-Festkörperlasersystem nach 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur faseroptischen Resonatorverlängerung eine Q/Q-Faser mit einer numerischen Aper­ tur von ca. 0,2 verwendet wird.
5. Langpuls-Festkörperlasersystem nach 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorverlängerung als eine Bau­ gruppe bestehend aus einer abberrations­ armen Kollimationslinse (1.3), einer Faser­ wicklung geeigneter Länge (1.2) und einem konkaven Retroreflektor (1.1) besteht.
6. Langpuls-Festkörperlasersystem nach 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorstruktur aus drei jeweils für sich vorjustierten und einfach montierbaren Kom­ ponenten besteht.
7. Langpuls-Festkörperlasersystem nach 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Baugruppe 2 eine einstellbare Pumpener­ gie zwischen 30 und 50 J und damit gekoppelt eine Anzeige, die das Auftreten von Kaska­ denimpulsen zur Verfügung stellt.
8. Langpuls-Festkörperlasersystem nach 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als laseraktives Medium Nd:YAG oder Alexandrit oder Titansaphir verwendet wird.
9. Langpuls-Festkörperlasersystem nach 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als laseraktives Medium ein doppelbrechen­ der Kristall, wie z. B. Nd:YAlO3 oder Nd:YLF verwendet wird.
10. Langpuls-Festkörperlasersystem nach 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Maßnahmen zur Erzeugung pola­ risierter Strahlung in den Baugruppen 1 bzw. 3 durch Einfügen eines Polarisationsstrahl­ teilers und eines Retroreflektors vorgesehen sind.
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