ES2908330T3 - Método para el uso de un aparato láser de picosegundo para eliminar pigmentación de la piel - Google Patents
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Abstract
Un método para eliminar pigmentación de la piel, debida a partículas de pigmento, que comprende exponer piel pigmentada a energía láser pulsada con pulsos que invocan alteración fotomecánica de las partículas de pigmento objetivo, facilitando de esa manera su eliminación mediante los procesos naturales de eliminación del cuerpo, en donde los pulsos se suministran a una duración que es desde dos veces a cinco veces el tiempo de tránsito acústico a través de una partícula de pigmento que tiene un diámetro de aproximadamente 1 micrómetro, en donde el tiempo de tránsito acústico de una onda de sonido en una partícula se calcula dividiendo el radio de la partícula por la velocidad de sonido en la partícula.
Description
DESCRIPCIÓN
Método para el uso de un aparato láser de picosegundo para eliminar pigmentación de la piel
Campo de la invención
La presente invención se relaciona con suministrar energía láser que tiene una duración de pulso corta (por ejemplo, menos de aproximadamente 1 nanosegundo) y alta salida de energía por pulso (por ejemplo, mayor que aproximadamente 250 milijulios). Como resultado, se puede generar energía láser adecuada para un número de aplicaciones, incluyendo tratamiento y eliminación de partículas de pigmento tales como las que se introducen en el cuerpo humano como tatuajes, usando un aparato relativamente simple.
Antecedentes de la invención
Los láseres se reconocen como fuentes controlables de radiación que es relativamente monocromática y coherente (es decir, tiene poca divergencia). La energía láser se aplica en un número cada vez mayor de áreas en diversos campos tales como telecomunicaciones, almacenamiento y recuperación de datos, entretenimiento, investigación, y muchos otros. En el área de la medicina, los láseres han demostrado utilidad en procedimientos quirúrgicos y cosméticos donde un haz preciso de radiación de alta energía provoca un calentamiento localizado y en última instancia la destrucción de tejidos no deseados. Tales tejidos incluyen, por ejemplo, tejido cicatricial subretiniano que se forma en la degeneración macular relacionada con la edad (AMD) o los constituyentes de vasos sanguíneos ectásicos que constituyen lesiones vasculares.
El principio de la fototermólisis selectiva subyace en muchas terapias médicas convencionales con láser para tratar diversos problemas dermatológicos tales como venas en piernas, marcas de nacimiento con manchas de vino de Oporto, y otras lesiones vasculares y pigmentadas ectásicas. Las capas dérmica y epidérmica que contienen las estructuras objetivo se exponen a energía láser que tiene una longitud de onda que se absorbe preferente o selectivamente en estas estructuras. Esto lleva a un calentamiento localizado a una temperatura (por ejemplo, hasta aproximadamente 70°C) que desnaturaliza las proteínas constituyentes o dispersa las partículas de pigmento. La fluencia, o energía por área de unidad, usada para lograr esta desnaturalización o dispersión generalmente se basa en la cantidad requerida para lograr la temperatura de tejido objetivo deseada, antes de que una porción significativa de la energía láser absorbida se pierda por difusión. Sin embargo, la fluencia debe limitarse para evitar la desnaturalización de tejidos que rodean el área objetivo.
Sin embargo, la fluencia no es la única consideración que rige la idoneidad de la energía láser para aplicaciones particulares. La duración de pulso e intensidad de pulso, por ejemplo, pueden afectar el grado en que la energía láser se difunde en los tejidos circundantes durante el pulso y/o provoca una vaporización localizada no deseada. En términos de la duración de pulso de la energía láser usada, los enfoques convencionales se han centrado en mantener este valor por debajo del tiempo de relajación térmica de las estructuras objetivo, con el fin de lograr un calentamiento óptimo. Para los vasos pequeños contenidos en las marcas de nacimiento con manchas de vino de Oporto, por ejemplo, los tiempos de relajación térmica y por tanto las duraciones de pulso correspondientes de la radiación de tratamiento son a menudo del orden de cientos de microsegundos a varios milisegundos.
Sin embargo, el uso de pulsos aún más cortos da como resultado un cambio de procesos fototérmicos a fotomecánicos. Este último mecanismo se invoca aplicando pulsos láser que tienen una duración que está por debajo del tiempo de tránsito acústico de una onda de sonido a través de partículas objetivo. Esto hace que se acumule presión en las partículas, de una manera análoga a la acumulación de calor dentro de un objetivo irradiado por pulsos láser que tienen una duración que está por debajo del tiempo de relajación térmica.
Los procesos fotomecánicos descritos anteriormente pueden proporcionar oportunidades comercialmente significativas, particularmente en el área del tratamiento de pigmentaciones de la piel incluyendo tatuajes, manchas de vino de Oporto, y otras marcas de nacimiento. La incidencia de tatuajes en los Estados Unidos y otras poblaciones, por ejemplo, continúa a un ritmo significativo. Debido a que las partículas de pigmento de tatuaje de aproximadamente 1 micrón (1 micrón = 1 micrómetro) en diámetro o menos pueden eliminarse del cuerpo a través de procesos normales del sistema inmunitario, es probable que los tatuajes estables estén compuestos por partículas de pigmento que tienen diámetros del orden de 1-10 micrones o más. Dado que la velocidad de sonido en muchos medios sólidos es aproximadamente 3000 metros/segundo, el tiempo de tránsito acústico a través de tales partículas, y en consecuencia la duración de pulso láser requerida para lograr su destrucción fotomecánica, es tan bajo como cientos de picosegundos. El tiempo de tránsito acústico de una onda de sonido en una partícula se calcula dividiendo el radio de la partícula por la velocidad de sonido en la partícula.
Además de tales duraciones de pulso cortas, se necesitan pulsos láser de alta energía para una alteración significativa de las partículas de pigmento de tatuaje y otras pigmentaciones. Las fluencias requeridas de varios julios por centímetro cuadrado y tamaños de punto de tratamiento de unos pocos milímetros en diámetro se traducen en una salida de láser deseada con varios cientos de milijulios (mJ) por pulso o más. Desafortunadamente, los sistemas actuales capaces de tal duración de pulso corta y una salida de alta energía son demasiado complejos y/o costosos para uso práctico en el tratamiento o eliminación de tatuajes y otras pigmentaciones. Estos dispositivos generalmente
requieren dos o más láseres y etapas amplificadoras, junto con múltiples dispositivos electroópticos y/o acústicoópticos.
Los documentos US 2003/004556, US 2006/095101, y US 2004/1812211 divulgan diferentes métodos para eliminar la pigmentación de la piel con rayos láser, pero permanecen en silencio con respecto a la optimización de la eliminación por alteración fotomecánica producida por pulsos láser de una duración definida con respecto al tiempo de tránsito acústico de una onda de sonido en una partícula de pigmento, como se introduce a través de la presente invención.
Breve resumen de la invención
La presente invención proporciona un método para eliminar la pigmentación de la piel como se define en la reivindicación 1. La presente invención está asociada con el descubrimiento de métodos y aparatos descritos en este documento para suministrar energía láser pulsada con características de pulso adecuadas para un número de aplicaciones prácticas. Tales características de pulso incluyen una duración suficientemente corta y/o una energía suficientemente alta para el tratamiento fotomecánico de pigmentaciones de la piel y lesiones pigmentadas, ambas de origen natural (por ejemplo, marcas de nacimiento), así como artificiales (por ejemplo, tatuajes).
La energía láser pulsada generada de acuerdo con los métodos de la presente invención puede tener al menos aproximadamente 100 mJ/pulso, y a menudo tendrá desde aproximadamente 200 a aproximadamente 800 mJ/pulso, según se requiera para las aplicaciones descritas en este documento, tal como la eliminación o dispersión de partículas de pigmento que se usan a menudo para formar tatuajes. Como también se desea en estas aplicaciones, la energía láser pulsada generalmente tiene una duración de pulso de como máximo aproximadamente 500 picosegundos (ps), típicamente como máximo aproximadamente 300 ps, y a menudo como máximo aproximadamente 150 ps.
La pigmentación de la piel puede ser un tatuaje, una mancha de vino de Oporto, o una marca de nacimiento.
En otra realización, la presente invención es un método para eliminar un tatuaje que comprende partículas de pigmento de tatuaje, que pueden, por ejemplo, tener un diámetro desde aproximadamente 1 a aproximadamente 10 micrones.
Estas y otras realizaciones son evidentes a partir de la siguiente descripción detallada.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es una representación gráfica que muestra la relación entre la presión pico relativa dentro de una partícula objetivo de la alteración fotomecánica, como una función de duración de pulso, medida como un múltiplo del tiempo de tránsito acústico a través de la partícula.
La figura 2 representa una representación de un aparato emisor de láser de acuerdo con la presente invención.
La figura 3A es una representación gráfica de voltaje aplicado a lo largo del tiempo a un dispositivo electroóptico en un aparato láser, que corresponde a un valor V(t) = Vo 8V(t) entre to y t-i, un valor V(t) = 0 entre t1 y t2, y un valor V(t) del voltaje de cuarto de onda del dispositivo electroóptico, después de t2.
La figura 3B es una representación gráfica de la reflectividad efectiva a lo largo del tiempo del espejo combinado, dispositivo electroóptico y polarizador en la figura 2, con el voltaje dependiente del tiempo aplicado al dispositivo electroóptico como se muestra en la figura 3A.
La figura 4 es un esquema de electrónica de generación de forma de onda representativa, capaz de suministrar el voltaje dependiente del tiempo al dispositivo electroóptico, como se muestra en la figura 3A. Esta figura representa un método alternativo para desarrollar el voltaje dependiente del tiempo en donde los conmutadores paralelos (Sw_B1 y Sw_B2) se intercalan de tal manera que cada conmutador se activa alternativamente para aumentar la capacidad de frecuencia máxima. Esta figura también incluye un método alternativo de aplicación de un voltaje de cuarto de onda diferencial al dispositivo electroóptico para la extracción de pulsos.
La figura 5 es un esquema de electrónica de generación de forma de onda representativa, capaz de suministrar el voltaje dependiente del tiempo al dispositivo electroóptico, como se muestra en la figura 3A. En este circuito, el voltaje de cuarto de onda diferencial se aplica al dispositivo electroóptico mediante el conmutador 360 y fuente 300 de voltaje, a través de circuitos (310-340) de acoplamiento para la extracción de pulsos.
La figura 6 es un esquema de electrónica de generación de forma de onda representativa, capaz de suministrar el voltaje dependiente del tiempo al dispositivo electroóptico, como se muestra en la figura 3A. En este circuito, el voltaje de cuarto de onda diferencial se aplica al dispositivo electroóptico mediante 2 fuentes de voltaje independientes, el voltaje diferencial entre los cuales debe ser sustancialmente igual al voltaje de cuarto de onda del dispositivo electroóptico.
La figura 7 es un esquema de electrónica de generación de forma de onda representativa, capaz de suministrar el voltaje dependiente del tiempo al dispositivo electroóptico, como se muestra en la figura 3A. En este circuito, el voltaje dependiente del tiempo se desarrolla mediante la operación intercalada de 2 conmutadores paralelos (Sw_B1 y Sw_B2) de tal manera que cada conmutador opere a A de la frecuencia de modulación deseada.
La figura 8 es un esquema de electrónica de generación de forma de onda representativa, capaz de suministrar el voltaje dependiente del tiempo al dispositivo electroóptico, como se muestra en la figura 3A. Este circuito usa un transformador para proporcionar un desplazamiento de nivel de voltaje de tal manera que se puedan usar MOSFET's de menor voltaje nominal pero de conmutación más rápida. Adicionalmente, este circuito también aplica un voltaje de cuarto de onda al dispositivo electroóptico por medio de la fuente de voltaje V3, y conmutador M4.
Las características del aparato al que se hace referencia en la figura 2 no están necesariamente dibujadas a escala y debe entenderse que presentan una ilustración de la invención y/o principios involucrados. Algunas características representadas en las figuras se han ampliado o distorsionado en relación con otras, con el fin de facilitar la explicación y entendimiento. Los mismos números de referencia se usan en las figuras para componentes o características similares o idénticos que se muestran en las diversas realizaciones. Los dispositivos láser, como se divulgan en este documento, tendrán configuraciones, componentes, y parámetros operativos determinados, en parte, por la aplicación prevista y también por el entorno en el cual se usan.
Descripción detallada de la invención
Aspectos de la presente invención están asociados con la capacidad de pulsos láser que tienen una duración de varios cientos de picosegundos para provocar la alteración fotomecánica, a través del uso de ondas de sonido (o de presión), de partículas de pigmento de tatuaje y otros componentes de lesiones pigmentadas. La alteración mecánica de las partículas de pigmento facilita la eliminación de las partículas de pigmento mediante los procesos de eliminación naturales del cuerpo tales como los asociados con el sistema inmunitario. Estas duraciones de pulso son del mismo orden que el tiempo de tránsito acústico a través de partículas que tienen un diámetro desde aproximadamente 1 a aproximadamente 10 micrones, que de otra manera son lo suficientemente grandes como para permanecer estables en el tejido de la piel (por ejemplo, sin ser eliminadas por las respuestas normales de sistema inmunitario).
La importancia de la duración de pulso corto en los procesos fotomecánicos se ilustra gráficamente en la figura 1, que muestra la respuesta no lineal de presión pico en un objetivo, a medida que se reduce la duración de pulso láser. Las unidades de duración de pulso, a lo largo del eje x, se normalizan a un múltiplo del tiempo de tránsito acústico a través de una partícula objetivo, tal como una partícula de pigmento de tatuaje. El tiempo de tránsito acústico se refiere al tiempo requerido para que una onda de sonido atraviese esta partícula objetivo. Como es evidente a partir de la figura 1, el estrés fotomecánico sobre el objetivo aumenta rápidamente cuando la duración de pulso de irradiación disminuye a menos de aproximadamente dos tiempos de tránsito.
El efecto se vuelve dramáticamente más pronunciado por debajo de aproximadamente un tiempo de tránsito. La figura 1 por lo tanto ilustra la importancia de la capacidad de operar en el rango de duración de pulso de picosegundos, en el diseño de un tratamiento fotomecánico o protocolo de eliminación de tatuajes y otras lesiones cutáneas pigmentadas. De hecho, como también es claro a partir de la figura 1, los pulsos láser que tienen duraciones de mayor que aproximadamente cinco veces el tiempo de tránsito acústico inducen una presión pico relativamente insignificante sobre la partícula objetivo y por lo tanto son relativamente inefectivas para alterar pequeñas partículas de pigmentación a través del mecanismo fotomecánico.
Aparatos y métodos efectivos de acuerdo con realizaciones de la presente invención son por lo tanto ventajosamente capaces de suministrar energía láser que tiene una duración de pulso generalmente menor que aproximadamente 1 nanosegundo, típicamente menor que aproximadamente 500 picosegundos (ps), y a menudo menor que aproximadamente 250 ps.
También característico de la energía láser que es efectivo para tratar o eliminar pigmentaciones de la piel es un nivel relativamente alto de salida de energía. Por ejemplo, las fluencias requeridas para lograr una alteración significativa de partículas de pigmento generalmente están en el rango desde aproximadamente 1 a aproximadamente 10 J/cm.2. Para métodos de tratamiento viables que tienen un área de tratamiento o tamaño de punto de unos pocos milímetros en diámetro, la salida de láser requerida es preferiblemente al menos aproximadamente 100 mJ por pulso, y a menudo en el rango desde aproximadamente 200 a aproximadamente 800 mJ por pulso.
La figura 2 representa una realización representativa de un aparato 10 de acuerdo con la presente invención, que es capaz de lograr los parámetros de duración de pulso y salida de energía anteriores, adecuados para el tratamiento efectivo de lesiones pigmentadas a través de medios fotomecánicos. Ventajosamente, el aparato incluye un resonador (o cavidad láser) capaz de generar energía láser que tiene la duración de pulso y energía por pulso deseables, como se describe en este documento. El resonador tiene un eje 22 longitudinal u óptico característico (es decir, la trayectoria de flujo longitudinal para la radiación en el resonador), como se indica por la línea discontinua. También se incluyen en el aparato representativo que se muestra un dispositivo electroóptico, en este caso una celda 20 de Pockels, y un polarizador 18 (por ejemplo, un polarizador de película delgada). Durante la operación, la salida de pulso láser se obtendrá a lo largo de la trayectoria 23 de salida.
En los extremos opuestos del eje 22 óptico del resonador están un primer espejo 12 y un segundo espejo 14 que tienen una reflectividad sustancialmente completa. Este término, y términos equivalentes tales como "sustancialmente totalmente reflectante" se usan para indicar que los espejos 12 y 14 reflejan completamente la radiación láser incidente del tipo normalmente presente durante la operación del resonador, o reflejan al menos 90%, preferiblemente al menos
95%, y más preferentemente al menos 99% de la radiación incidente. La reflectividad de espejo debe distinguirse del término "reflectividad efectiva", que no es una propiedad del espejo en sí sino que en vez se refiere al comportamiento efectivo de la combinación de segundo espejo 14, celda 20 de Pockels, y polarizador 18 que es inducido por la operación particular de la celda 20 de Pockels, como se discute en detalle a continuación.
En particular, un pulso láser que recorre desde el medio 16 de formación de láser o de ganancia hacia el segundo espejo 14 pasará primero a través del polarizador 18, luego por la celda 20 de Pockels, se reflejará en el segundo espejo 14, atravesará la celda 20 de Pockels una segunda vez, y finalmente pasará a través del polarizador 18 a una segunda vez antes de retornar al medio 16 de ganancia. Dependiendo del voltaje de polarización aplicado a la celda 20 de Pockels, alguna porción (o fracción rechazada) de la energía en el pulso será rechazada en el polarizador 18 y saldrá del resonador a lo largo de la trayectoria 23 de salida. La porción restante (o fracción no rechazada) de la energía (desde 0% a 100% de la energía en el pulso láser inicial) que retorna al medio 16 es la "reflectividad efectiva" del segundo espejo 14. Como se explicó anteriormente, para cualquier voltaje aplicado dado a la celda 20 de Pockels, el comportamiento efectivo de la combinación del segundo espejo 14, celda 20 de Pockels, y polarizador 18 es indistinguible, en términos de dinámica láser, del de un único espejo parcialmente reflectante, que refleja la misma fracción no rechazada descrita anteriormente. Una "reflectividad efectiva de sustancialmente 100%" se refiere a un espejo que actúa como un espejo sustancialmente totalmente reflectante como se define anteriormente.
También posicionado a lo largo del eje 22 óptico del resonador está un medio 16 de formación de láser o de ganancia, que puede ser bombeado por cualquier dispositivo de bombeo convencional (no se muestra) tal como un dispositivo de bombeo óptico (por ejemplo, una lámpara de destellos) o posiblemente un dispositivo de bombeo eléctrico o de inyección. Se prefieren para uso en la presente invención un medio de formación de láser de estado sólido y dispositivo de bombeo óptico. Los láseres de estado sólido representativos operan con un cristal de alejandrita o de zafiro dopado con titanio (TIS). Los medios de formación de láser sólidos alternativos incluyen un cristal de granate de itrio y aluminio, dopado con neodimio (láser Nd:YAG). De manera similar, el neodimio se puede usar como un dopante de cristal de pervoskita (láser Nd:YAP o Nd: YAO3) o un cristal de fluoruro de itrio y litio (láser Nd:YAF). Otros dopantes de iones de metales de transición y tierras raras (por ejemplo, erbio, cromo, y titanio) y otros medios anfitriones de cristal y vidrio (por ejemplo, cristales de vanadita tales como YVO4, vidrios de fluoruro tales como ZBLN, vidrios de sílice, y otros minerales tales como rubí) de estos dopantes se pueden usar como medios de formación de láser.
Los tipos de láser mencionados anteriormente generalmente emiten radiación, en modos operativos predominantes, que tienen longitudes de onda en la región visible a infrarroja del espectro electromagnético. En un láser Nd:YAG, por ejemplo, la inversión de población de iones Nd+3 en el cristal YAG provocan la emisión de un haz de radiación a 1064 nm así como un número de otras longitudes de onda de infrarrojo cercano. También es posible usar, además de la radiación de tratamiento, un haz de luz láser visible de baja potencia como una guía o herramienta de alineación. Los tipos alternativos de láseres incluyen aquellos que contienen gas, tinte, u otros medios de formación de láser. Los láseres de semiconductores o diodos también representan posibles fuentes de energía láser, disponibles en longitudes de onda variables. En los casos donde un tipo particular de láser emite radiación en longitudes de onda tanto deseadas como no deseadas, el uso de filtros, reflectores, y/u otros componentes ópticos pueden ayudar a direccionar un componente de lesión pigmentada con solo el tipo de radiación deseado.
Aspectos de la invención también se relacionan con la manera en que el aparato 10 relativamente simple, representado en la figura 2, se opera para generar energía láser con la duración de pulso deseable y requisitos de salida de energía discutidos anteriormente. Por ejemplo, la energía láser desde medio 16 de formación de láser se refleja entre el primer espejo 12 y segundo espejo 14 en extremos opuestos del eje 22 óptico del resonador. La energía láser que emana desde medio 16 de formación de láser por lo tanto atraviesa el polarizador 18 de película delgada y celda 20 de Pockels antes de ser reflejada por el segundo espejo 14 sustancialmente totalmente reflectante, de vuelta a través de la celda 20 de Pockels y polarizador 18.
Materiales TIS, alejandrita, y otros cristales tales como Nd:YVO4 exhiben una gran sección transversal de emisión estimulada selectivamente para la radiación que tiene un vector de campo eléctrico que está alineado con un eje de cristal. La radiación emitida desde tales materiales de formación de láser por lo tanto inicialmente está polarizada linealmente, lo que requiere que el polarizador 18 esté configurado para la transmisión de esencialmente toda la radiación incidente mediante una alineación adecuada con respecto al vector de campo eléctrico. Sin embargo, la aplicación de un voltaje de polarización a la celda 20 de Pockels puede causar una polarización elíptica de la radiación que sale, de tal manera que el campo de radiación del pulso reflejado en el segundo espejo 14 y que llega de nuevo al polarizador 18 constará en este caso de dos componentes con vectores de campo eléctrico ortogonales que están desfasados por algún ángulo.
Si el polarizador 18 rechaza la radiación que tiene un vector de campo eléctrico que es ortogonal (o perpendicular) a la orientación del vector de campo eléctrico inicial de radiación desde el material 16 de formación de láser, el efecto neto de los componentes combinados (segundo espejo 14, celda 20 de Pockels, y polarizador 18) es el de un espejo de reflectividad variable. La reflectividad efectiva, Refec, del segundo espejo 14 (es decir, la celda 20 de Pockels que está posicionada entre ese espejo 14 y el polarizador 18), es dada por la ecuación (1):
R e fe c = C O S 2( y V / V v 4), ( 1 )
donde la cantidad Vw4 es el voltaje de cuarto de onda de la celda 20 de Pockels. El voltaje de cuarto de onda se refiere al voltaje requerido a través de la celda de Pockels para dividir la radiación incidente en dos componentes que tienen intensidades iguales y retardar el vector de campo eléctrico de polarización de un componente en un cuarto de longitud de onda en relación con el otro componente.
De este modo la radiación, habiendo sido reflejada en el segundo espejo 14 y por lo tanto pasando dos veces a través de la celda 20 de Pockels con un voltaje aplicado de Vw4, tendrá su eje de polarización rotado 90° y será completamente rechazado por el polarizador 18. Un voltaje aplicado V = Va/4 por lo tanto proporciona una reflectividad efectiva, Refec, de "sustancialmente 0%", lo que significa que la radiación es ya sea completamente rechazada por el polarizador 18, o posiblemente toda la radiación excepto una pequeña cantidad es rechazada (por ejemplo, una cantidad que tiene una intensidad o amplitud generalmente de menor que aproximadamente 10%, típicamente de menor que aproximadamente 5%, y a menudo menor que aproximadamente 1% de su intensidad o amplitud inicial, Io, antes del primer paso de la radiación a través del polarizador 18 y celda 20 de Pockels).
En general, la radiación que llega al medio 16 de formación de láser después de dos pasos a través de la celda 20 de Pockels (y después de haber sido reflejada en el segundo espejo 14) tendrá una intensidad o amplitud, I, dada por
Se reconoce que, en diversas realizaciones de la invención, el voltaje de cuarto de onda puede inducir realmente un número de posibles cambios en la polarización de radiación incidente, dependiendo de la configuración óptica particular del aparato. Por ejemplo, el uso de una placa de retraso de cuarto de onda posicionada entre la celda 20 de Pockels y el segundo espejo 14 introduciría una rotación de eje de polarización de doble paso de 90°, sin ningún voltaje aplicado a la celda de Pockels. La reflectividad efectiva, Refec, del segundo espejo 14 en este caso se regiría por la expresión
Refec = COS2 , ■
[ — (V+V W4)/Vw],
donde un voltaje de celda de Pockels de 0 lograría una reflectividad efectiva de 0%. La aplicación del voltaje de cuarto de onda a la celda de Pockels introduciría entonces unos 90° adicionales de rotación, de tal manera que el efecto global sería que no hubiera ningún cambio en la polarización. La reflectividad efectiva, Refec, en este caso sería sustancialmente 100%, lo que significa que el segundo espejo 14 actuaría como un espejo sustancialmente totalmente reflectante. También se reconoce que no todos los medios de formación de láser emiten radiación polarizada linealmente o radiación que tiene un vector de campo eléctrico que está alineado con un eje de cristal. Por ejemplo, los medios Nd:YAG no son polarizantes. En el caso donde se empleen medios no polarizantes, el polarizador 18 puede establecer una polarización dada de la radiación incidente en la celda 20 de Pockels.
Diversos aspectos de la presente invención están asociados con las ventajas obtenidas cuando se aplica un voltaje de polarización dependiente del tiempo, V(t), a un dispositivo electroóptico tal como la celda 20 de Pockels. En realizaciones preferidas de la invención, el voltaje dependiente del tiempo es igual a la suma de un voltaje de línea base, Vo, y un voltaje de diferencial o de compensación dependiente del tiempo, 5V(t), que varía periódicamente con un período sustancialmente igual al tiempo de ida y vuelta, o dos veces el tiempo requerido para que la energía láser oscilante atraviese la longitud del resonador. El término "sustancialmente igual" en este caso se refiere a desviaciones entre el período de la forma de onda de voltaje aplicado y el tiempo de ida y vuelta de generalmente menor que aproximadamente 100 partes por millón (ppm), a menudo menor que 10 ppm, y preferiblemente menor que aproximadamente 1 ppm.
La aplicación de una forma de onda de voltaje dependiente del tiempo descrita anteriormente y caracterizada por la ecuación (2)
V(t) = Vo 5V(t), (2)
donde el componente dependiente del tiempo 5V(t) tiene un período sustancialmente igual al tiempo de ida y vuelta del resonador, permite que el resonador funcione en un primer modo operativo, donde se establece un pulso bloqueado de modo en el resonador. De manera importante, la oscilación bloqueada de modo se puede obtener sin el requisito de un dispositivo de bloqueo de modo adicional (o bloqueador de modo), tal como un modulador acústico-óptico, y en consecuencia sin la necesidad de ajustar la longitud de resonador para que coincida con una frecuencia de resonancia particular.
De este modo, la combinación de componentes, junto con la forma de onda de voltaje aplicada discutida anteriormente, puede funcionar esencialmente de manera idéntica a un bloqueador de modo. En el primer modo operativo de pulso bloqueado de modo, la reflectividad efectiva, Refec, del segundo espejo 14, se modula, modulando el voltaje aplicado
a la celda 20 de Pockels, con una frecuencia deseada (que corresponde a un período sustancialmente igual al tiempo de ida y vuelta de la energía láser oscilante). La reflectividad modulada en el tiempo R(t) se obtiene sustituyendo Vo 8V(t) de la ecuación (2) a la expresión para Refec en la ecuación (1) y expandiendo para obtener
R(t) = Ro- 2 c o s(y Vo/Vv4)sen(y Vo/VW4)(Y5V(t)/Vy4)
[sen2( y V 0 / V W 4) - cos2( y V0/VW4)]( y 5V(t)/VW4)2,
donde Ro es la reflectividad efectiva inicial del segundo espejo 14. A partir de la expresión anterior, es evidente que cuando se opera en Vo = Va/4 o Vo = 0, el término lineal desaparece y la modulación de la reflectividad es en consecuencia muy pequeña. Por el contrario, la máxima extensión o grado de modulación se produce cuando el voltaje de línea base Vo es 50% del voltaje de cuarto de onda (Vo = 0.5 Vw4). En realizaciones preferidas, el voltaje de línea base Vo es desde aproximadamente 30% a aproximadamente 70%, y típicamente desde aproximadamente 40% a aproximadamente 60%, del voltaje de cuarto de onda de la celda de Pockels.
También, a partir de la ecuación anterior para R(t), se puede lograr una modulación de aproximadamente 30% de la reflectividad cuando la magnitud de 8V(t), que representa ya sea una desviación positiva o una negativa de Vo, es 20% del voltaje de cuarto de onda. En otras realizaciones, el voltaje diferencial dependiente del tiempo, 8V(t), tiene una amplitud generalmente desde aproximadamente 5% a aproximadamente 35%, y típicamente desde aproximadamente 10% a aproximadamente 30%, del voltaje de cuarto de onda del dispositivo electroóptico (por ejemplo, la celda 20 de Pockels). La operación bajo estos parámetros, en un primer modo de operación de pulso bloqueado de modo, puede por lo tanto imitar la operación de un resonador que tiene un espejo reflectante de 80% en un extremo y que también contiene un dispositivo de bloqueo de modo tal como un dispositivo acústico-óptico. El bloqueo de modo en cualquier caso requiere un sistema o dispositivo de bombeo tal como una lámpara de destellos (no se muestra) que opere con una tasa de bombeo suficiente para el medio 16 de formación de láser para establecer el pulso bloqueado de modo en el resonador.
En un segundo modo de operación (amplificación), subsecuente al bloqueo de modo, se amplifica el pulso bloqueado de modo generado como se describió anteriormente. La amplificación se logra aplicando un (primer) voltaje de polarización constante a la celda 20 de Pockels de tal manera que el segundo espejo 14 tenga una reflectividad efectiva de sustancialmente 100%. En esta condición, el pulso bloqueado de modo oscila entre dos espejos 12 y 14 sustancialmente totalmente reflectantes. En realizaciones donde la reflectividad efectiva Refec del segundo espejo 14 se rige por la ecuación (1) anterior, un primer voltaje de polarización de sustancialmente 0 voltios (o descarga sustancialmente completa de la celda de Pockels), proporcionará la reflectividad deseada de sustancialmente 100%. En este modo de amplificación, la energía láser puede aumentar rápidamente en amplitud extrayendo la energía que fue bombeada y almacenada previamente en el medio 16 de formación de láser durante el bloqueo de modo.
Una vez que la energía láser, que oscila en el resonador bajo condiciones de amplificación, ha alcanzado una amplitud deseada o máxima, puede extraerse posteriormente. Esto se logra aplicando un segundo voltaje de polarización a la celda 20 de Pockels de tal manera que el segundo espejo tenga una reflectividad efectiva Refec de sustancialmente 0%, para generar energía láser pulsada. En realizaciones donde la reflectividad efectiva, Refec, del segundo espejo 14 se rige por la ecuación (1) anterior, un segundo voltaje de polarización igual al voltaje de cuarto de onda de la celda de Pockels logrará la reflectividad deseada de sustancialmente 100%. En este punto, la radiación láser que tiene la duración de pulso y salida de energía deseables descritas en este documento, se genera desde el aparato 10 y sale del resonador a lo largo de la trayectoria 23 de salida.
La figura 3A proporciona una representación de voltaje aplicado, como una función de tiempo, a un dispositivo electroóptico tal como una celda de Pockels en un aparato láser, para lograr los modos operativos descritos anteriormente. En el período de tiempo entre to y t-i, el voltaje aplicado es de acuerdo con la ecuación V(t) = Vo 8V(t), con el voltaje diferencial dependiente del tiempo, 8V(t), compensando periódicamente un voltaje de línea base aplicado, Vo. En la realización particular de la invención usando la forma de onda de voltaje mostrada en la figura 3A, el voltaje de línea base es 50% del voltaje de cuarto de onda de celda de Pockels (Vo = 0.5 V*m) y la magnitud de la compensación es 20% del voltaje de cuarto de onda de celda de Pockels. Esta compensación se produce periódicamente con un período igual al tiempo de ida y vuelta de energía láser en el resonador.
Durante la operación desde tiempo to a t1, la tasa de bombeo al medio de ganancia o de formación de láser se puede establecer o ajustar para exceder el umbral de oscilación de láser, cuando Refec (la reflectividad efectiva del segundo espejo) está en o cerca de su valor más alto. Bajo estas condiciones operativas, junto con la condición de que el período de la forma de onda de voltaje aplicado es sustancialmente el tiempo de ida y vuelta para que la energía atraviese el resonador como se describió anteriormente, se puede establecer un pulso bloqueado de modo dentro del resonador. El período de tiempo entre to y t1, donde se aplica un voltaje periódico al dispositivo electroóptico, representa por lo tanto el tiempo que el resonador está operando en un primer modo de operación de pulso bloqueado de modo.
En un tiempo ti, después de que se haya desarrollado un pulso bloqueado de modo de estado estable en el resonador, se descontinúa la modulación periódica del voltaje de polarización aplicado y luego se aplica un (primer) voltaje de polarización constante al dispositivo electroóptico, de tal manera que Refeces sustancialmente 100%. En la realización mostrada en la figura 3A, el primer voltaje, aplicado en el tiempo t1, es 0 voltios, lo que significa que la celda de Pockels u otro dispositivo electroóptico está completamente descargado. Bajo este segundo modo de operación de amplificación, se permite que la amplitud de la energía láser dentro del resonador crezca rápidamente, recurriendo a la energía ingresada previamente en el medio de formación de láser durante el bombeo en el modo operativo de pulso bloqueado de modo, como se describió anteriormente. Cuando la energía láser ha alcanzado una amplitud deseada, entonces puede liberarse como energía pulsada que tiene la duración de pulso y salida de energía como se describe en este documento. Esta liberación se efectúa aplicando un voltaje de polarización en un tiempo posterior t2 de tal manera que Refec se reduce sustancialmente a 0%. De acuerdo con la realización de la figura 3A, el voltaje de polarización aplicado en este tiempo es sustancialmente igual al voltaje de cuarto de onda del dispositivo electroóptico.
La amplificación y liberación (o extracción) de energía láser a través de la aplicación de primer y segundo voltajes de polarización (constantes), como se describió anteriormente, también puede llevarse a cabo aplicando voltajes de polarización de tal manera Refec que comienza en ti es menor que 100%. Sin embargo, en el modo de operación de amplificación, Refec es generalmente mayor que 80%, típicamente mayor que aproximadamente 90%, y a menudo mayor que aproximadamente 95%. Así mismo, la energía láser también puede liberarse en t2 usando una Refec de mayor que 0%. Por ejemplo, se puede aplicar un segundo voltaje de polarización en t2 de tal manera que Refec es generalmente menor que 20%, típicamente menor que 10%, y a menudo menor que 5%. En cualquier caso, la consideración importante es que el dispositivo se opera de tal manera que Refec está en un valor relativamente alto en ti y luego disminuya a un valor relativamente bajo en t2, permitiendo de esa manera que el dispositivo amplifique un pulso láser oscilante y libere posteriormente la energía láser amplificada.
En la realización particular de la invención caracterizada por la forma de onda de voltaje de polarización aplicado que se muestra en la figura 3A, el voltaje requerido para obtener un valor de Refec de sustancialmente 100% en ti es sustancialmente 0 voltios. El término "sustancialmente 0 voltios" indica que el dispositivo electroóptico puede estar completamente descargado a 0 voltios o que el voltaje aplicado será generalmente menor que 10%, típicamente menor que 5%, y a menudo menor que 1%, del voltaje de cuarto de onda del dispositivo. Así mismo, en esta realización de la invención, el voltaje requerido para obtener un valor de Refec de sustancialmente 0% es sustancialmente igual al voltaje de cuarto de onda. El término "sustancialmente igual al voltaje de cuarto de onda" indica un voltaje de polarización aplicado al dispositivo electroóptico de su voltaje de cuarto de onda o preferiblemente al menos 80%, típicamente al menos 90%, y a menudo al menos 95% de su voltaje de cuarto de onda.
También, como se explicó previamente, la celda de Pockels o dispositivo electroóptico, dependiendo de otros componentes (por ejemplo, una placa de retraso) en el aparato, puede requerir voltajes distintos de 0 y el voltaje de cuarto de onda para lograr los valores de Refec de 100% y 0%, respectivamente. También es evidente a partir de la naturaleza cíclica de la dependencia de Refec en el voltaje de polarización aplicado, como se da mediante la ecuación (1) anterior, que se pueden aplicar voltajes más altos para lograr una reflectividad efectiva dada. Por ejemplo, se pueden aplicar ya sea 0 voltios o el voltaje de media onda para obtener Refec = 100% en la ecuación (1). En general, sin embargo, se prefiere que se aplique el voltaje de polarización más pequeño para lograr una Refec dada. Ventajosamente, el rango completo de valores de reflectividad efectiva, desde 0% a 100%, puede obtenerse con la aplicación de voltajes de polarización relativamente modestos en el rango desde 0 voltios al voltaje de cuarto de onda, de acuerdo con los métodos descritos en este documento.
La figura 3B muestra, de acuerdo con una realización de la invención, la reflectividad efectiva a lo largo del tiempo que corresponde a la forma de onda de voltaje de polarización dependiente del tiempo aplicada al dispositivo electroóptico, como se muestra en la figura 3A. Durante el modo operativo bloqueado de modo desde to a t1, la reflectividad efectiva se compensa periódica y positivamente, desde un valor operativo de 50%, hasta un valor pico de 80%. El período de la forma de onda de voltaje aplicado coincide con el de la forma de onda de reflectividad efectiva, que es el tiempo de ida y vuelta, o el doble del tiempo requerido para que la energía láser atraviese la longitud del resonador. En tiempo t1 (al comienzo del modo operativo de amplificación), cuando el dispositivo electroóptico está descargado, el valor correspondiente de Refec es 100%. En tiempo t2, cuando el voltaje de polarización aplicado es Vw4, Refec cambia a 0% para liberar la energía amplificada.
El sistema o electrónica para generar estas formas de onda representa otro aspecto de la presente invención, ya que la electrónica requiere no solo un voltaje pico de Vw4, pero también debe ser capaz de una frecuencia de modulación de generalmente al menos aproximadamente 50 MHz, típicamente al menos aproximadamente 100 MHz (con base en un tiempo de oscilación de pulso del orden de aproximadamente 10 nanosegundos), y a menudo al menos aproximadamente 200 MHz. Los valores de la frecuencia de modulación por lo tanto pueden estar dentro de los rangos representativos de desde aproximadamente 50 a aproximadamente 200 MHz o desde aproximadamente 75 a aproximadamente 150 MHz. Además, el tiempo de subida de conmutación de la modulación puede ser aproximadamente 1 nanosegundo. La figura 5 representa un posible tipo de electrónica de generación de forma de onda para producir el voltaje de polarización y formas de onda de Refec mostradas en la figura 3A y figura 3B, respectivamente y que es capaz de modular el voltaje aplicado al dispositivo electroóptico en un marco de tiempo del orden de 10 nanosegundos. La configuración comprende tres conmutadores 130, 230, 360, que cumplen los requisitos establecidos anteriormente. Preferiblemente, se emplean conmutadores de transistores de efecto de campo de puerta
aislada, tales como conmutadores de transistores de efecto de campo (MOSFET) semiconductores de óxido de metal coplanares. El conmutador 360 consiste en un número de MOSFET's dispuestos en serie para aumentar el voltaje soportado. También se incluyen dos resistencias 120, 220 de carga, dos circuitos 310, 320, 325 y 330, 340, 345 de acoplamiento, y tres fuentes 100, 200, 300 de voltaje, como se muestra en la figura 5. El circuito que incluye el conmutador 360 y fuente 300 de voltaje se puede configurar con o sin circuitos 310 o 330 de acoplamiento.
También incluida en la realización de la figura 5 es una celda de Pockels (dispositivo electroóptico) 400, a la cual los componentes electrónicos aplican una forma de onda de voltaje dependiente del tiempo, tal como la representada en la figura 3A. Eléctricamente, la celda 400 de Pockels actúa como un condensador, con una capacitancia típica de aproximadamente 10 picofaradios (pF). Como se describió anteriormente con respecto a la figura 3A, la electrónica de generación de forma de onda en la realización de la figura 5 se usa para un primer modo de operación a un voltaje de línea base Vo de 0.5Va/4 (o el voltaje de "octava onda", Va/8). El voltaje de línea base es modulado o compensado periódicamente por el voltaje diferencial dependiente del tiempo 8V(t) discutido anteriormente y que tiene una magnitud de 0.2Va/4 en la forma de onda particular que se muestra en la figura 3A. En un segundo modo de operación subsecuente, la electrónica de generación de forma de onda se puede usar para descargar la celda de Pockels (es decir, aplicar un voltaje constante de 0 voltios). Después de esto, se puede aplicar un voltaje igual al voltaje de cuarto de onda, Va/4, de la celda 20 de Pockels.
Con todos los tres conmutadores apagados y, por ejemplo, la primera fuente 100 de voltaje se establece en aproximadamente 250V, y una segunda fuente 20 de voltaje se establece en aproximadamente - 1000V, el voltaje diferencial resultante a través del dispositivo 400 electroóptico establece el voltaje de línea base, Vo (por ejemplo, desde aproximadamente 30% hasta aproximadamente 70% del voltaje de cuarto de onda), al dispositivo electroóptico. El conmutador 130 luego se cierra y se abre alternativamente dando como resultado un voltaje diferencial periódico dependiente del tiempo 8V(t) a través del dispositivo 400 electroóptico (por ejemplo, que tiene una magnitud desde aproximadamente 5% a aproximadamente 35% del voltaje de cuarto de onda), de tal manera que el voltaje de polarización total, V(t), aplicado al dispositivo electroóptico es Vo 8V(t). En vista de la figura 3A y figura 5, en tiempo tü, el voltaje de polarización inicial Vo puede aplicarse desde fuentes 100 y 200 de voltaje ajustables, a través de resistencias 120, 220 de carga a la celda 400 de Pockels abriendo los conmutadores 130, 230, 360. Bajo esta condición, la configuración electrónica mostrada en la figura 5 cargará la celda de Pockels al voltaje de polarización inicial Vo = 0.5 Va/4. En un primer modo de operación de pulso bloqueado de modo entre los tiempos to y t-i, los Conmutadores 230 y 360 se mantienen abiertos mientras el conmutador 130 se cierra y abre periódicamente a la frecuencia requerida para modular el voltaje de polarización (por ejemplo, con un período sustancialmente igual al tiempo de ida y vuelta de la energía láser en el resonador). En particular, cerrar el conmutador 130 mientras el conmutador 230 está abierto modula el voltaje de línea base con el voltaje diferencial dependiente del tiempo, 5V(t), que tiene una magnitud de compensación determinada por el voltaje desde la fuente 100, como se muestra en la figura 5. Esta disposición descarga la celda (400) de Pockels desde Vo a Vo+ 5V(t) a través de los conmutadores 130, condensador 210 y resistencia 220 de carga. Abrir el conmutador 130 restaura el voltaje de línea base (Vo = 0.5 Va/4) desde las fuentes 100 y 200 de voltaje a través de las resistencias 120 y 220 de carga. El voltaje de polarización total, V(t), aplicado a la celda 400 de Pockels por lo tanto es Vo 5V(t) durante el primer modo de operación.
En tiempo t1, se establece un segundo modo de operación de amplificación tras cerrar los conmutadores 130 y 230 cambiando de esa manera el valor de la reflectividad efectiva, Refec, del segundo espejo hasta sustancialmente 100%. Esto amplifica la energía láser dentro del resonador, en un segundo modo de amplificación. La extracción o liberación de la energía láser deseada desde el aparato se puede lograr tras abrir los conmutadores 130 y 230 y luego cerrando momentáneamente el conmutador 360 aplicando de esa manera la fuente 300 de voltaje al dispositivo 400 electroóptico, a través de los circuitos 310 y 320 de acoplamiento, el diferencial de voltaje resultante a través del dispositivo 400 electroóptico, que es sustancialmente igual al voltaje de cuarto de onda del dispositivo. Este voltaje aplicado a su vez cambia el valor de Refec a sustancialmente 0%. Esta disposición descarga la celda 400 de Pockels a través de los conmutadores 130 y 230. Finalmente, en tiempo t2, los conmutadores 130 y 230 se abren y las resistencias 120 y 220 de carga comienzan a accionar el voltaje de celda de Pockels hacia Vo. Simultáneamente, el conmutador 360 se cierra aplicando de esa manera la fuente 300 de voltaje a la celda 400 de Pockels a través de los circuitos 310, 320, 325 y 330, 340, 345 de acoplamiento. La fuente 300 de voltaje se ajusta a aproximadamente 2300V, Va/4 o voltaje de cuarto de onda, de tal manera que cuando el conmutador 360 está cerrado se aplica un pulso de voltaje de corta duración, a través de los circuitos 310 y 330 de acoplamiento, diferencialmente a la celda 40 de Pockels según sea necesario para extraer el pulso amplificado. Aunque la capacitancia de celda de Pockels es pequeña, las corrientes de conmutación alcanzan varios amperios como resultado de los tiempos de conmutación muy rápidos requeridos. La inductancia y/o capacitancia parásitas pueden afectar el rendimiento de circuito, de tal manera que es deseable un empaquetado pequeño, hermético.
La figura 6 es un esquema de electrónica de generación de forma de onda representativa, capaz de suministrar el voltaje dependiente del tiempo al dispositivo electroóptico, como se muestra en la figura 3A. En este circuito, el voltaje de cuarto de onda diferencial se aplica al dispositivo electroóptico por 2 fuentes de voltaje independientes, el voltaje diferencial entre los cuales debe ser sustancialmente igual al voltaje de cuarto de onda del dispositivo electroóptico.
La figura 7 es un esquema de electrónica de generación de forma de onda representativa, capaz de suministrar el voltaje dependiente del tiempo al dispositivo electroóptico, como se muestra en la figura 3A. En este circuito, el voltaje
dependiente del tiempo se desarrolla mediante la operación intercalada de 2 conmutadores paralelos (Sw_B1 y Sw_B2) de tal manera que cada conmutador opere a A de la frecuencia de modulación deseada.
La figura 8 es un esquema de electrónica de generación de forma de onda representativa, capaz de suministrar el voltaje dependiente del tiempo al dispositivo electroóptico, como se muestra en la figura 3A. Este circuito usa un transformador para proporcionar un desplazamiento de nivel de voltaje de tal manera que se puedan usar MOSFET's de menor voltaje nominal pero de conmutación más rápida. Adicionalmente, este circuito también aplica un voltaje de cuarto de onda al dispositivo electroóptico por medio de fuente de voltaje V3, y conmutador M4.
De acuerdo con una realización de la presente invención, se proporciona un método de accionamiento de la celda de Pockels usando una pluralidad de conmutadores y un transformador de alta frecuencia con capacidades de frecuencia de conmutación en el rango de 100 MHz con una relación de aumento de aproximadamente 1:10 con un voltaje de aislamiento de aproximadamente 3000V. Como puede verse en la figura 8, se proporciona un método de cierre de conmutadores M1, M2, y M4 para generar 30% del voltaje de cuarto de onda al dispositivo electroóptico, mientras que se abre y cierra periódicamente el conmutador M2 para cambiar el voltaje en dicho dispositivo electroóptico al 50% del voltaje de cuarto de onda. La frecuencia operativa será sustancialmente igual al doble del tiempo requerido para que la energía láser atraviese la longitud del resonador. El patrón de conmutación de los conmutadores M1, M2, M3 y M4 aplica un voltaje diferencial dependiente del tiempo como se representa en la figura 3A, de tal manera que el voltaje de polarización, V(t), aplicado a dicho dispositivo electroóptico es igual a Vo sigma V(t). Abrir los conmutadores M1, M2 y M4 descarga el dispositivo electroóptico a ~5% del voltaje de cuarto de onda del dispositivo electroóptico y cerrar los conmutadores M1, M3 y M4 aplica el voltaje de cuarto de onda al dispositivo electroóptico.
De acuerdo con una realización alternativa de la presente invención, se proporciona un método para accionar la celda de Pockels con referencia a la figura 4 usando una pluralidad de conmutadores A, B1, B2, C y D. De acuerdo con el método, los conmutadores A, C y D se abren para generar 50% del voltaje de cuarto de onda al dispositivo electroóptico, mientras que alternan periódicamente la apertura y cierre del conmutador B1 para cambiar el voltaje en el dispositivo electroóptico al 50% del voltaje de cuarto de onda. La frecuencia operativa será sustancialmente igual al doble del tiempo requerido para que la energía láser atraviese la longitud del resonador. El patrón de conmutación de A, B1, B2, C y D aplica un voltaje diferencial dependiente del tiempo como se representa en la figura 3A, de tal manera que el voltaje de polarización, V(t), aplicado a dicho dispositivo electroóptico es igual a Vo sigma V(t). Abrir los conmutadores A y D y cerrar los conmutadores B1, B2 y C descarga el dispositivo electroóptico a ~5% del voltaje de cuarto de onda del dispositivo electroóptico y abrir los conmutadores B1, B2 y C y cerrar los conmutadores A y D aplica el voltaje de cuarto de onda completo a dicho dispositivo electroóptico.
De acuerdo con una realización alternativa, los conmutadores A y D pueden eliminarse y las resistencias R1 y R2 pueden accionar la celda de Pockels a ~70% del voltaje de cuarto de onda como se representa en las figuras 6 y 7, con el patrón de conmutación de encendido/apagado descrito anteriormente. De acuerdo con ciertas realizaciones, el método puede emplear una o más fuentes de alto voltaje ajustables, controladas independientemente y placas de circuito impreso de única o múltiples capas de baja inductancia para la interconexión de circuitos. Un condensador de pulsos de alto voltaje usado como un dispositivo de fuente de energía de DC se puede usar para fuentes de alto voltaje ajustables. Ciertas realizaciones incluyen resistencias de carga, representadas en las figuras 4, 6, o 7, para limitar la corriente a través de los conmutadores A, B1, B2, C y D. Las realizaciones de la invención pueden utilizar accionadores de puerta MOSFET de lado alto, de alta velocidad que incluyen un enlace de fibra óptica para acomodar las altas velocidades de conmutación y el aislamiento de alto voltaje. De acuerdo con realizaciones adicionales, se puede usar un fotodiodo para observar la energía de pulso durante el período de tiempo t1 a t2 como se muestra en la figura 3A. Un método de control de bucle cerrado puede recibir la salida de fotodiodo para determinar el nivel de energía para salir del sistema. Con referencia a las figuras, se puede usar una técnica de control de bucle cerrado de frecuencia de conmutación variable para manipular la frecuencia de conmutación fundamental de A, B1, B2, C, D, M1, M2, M3, M4, S1, S2, S3, S4 y/o S5 para ajustar el sistema a la longitud de cavidad de resonador para tener en cuenta las tolerancias en el diseño mecánico y para tener en cuenta la variación en la longitud de cavidad de resonador debido a los efectos de temperatura.
De acuerdo con realizaciones adicionales, el ciclo de trabajo del dicho voltaje diferencial dependiente del tiempo, 5V(t) se puede programar o ajustar para ajustar el período o "ventana" en el tiempo total de vuelo donde la reflectividad permite que se acumule ganancia, evitando de esa manera depender de periodos fijos o voltajes fijos. Además, los patrones de conmutación de electrónica y ajuste de fuentes de voltaje descritas en este documento se pueden invertir, lo que permite que la celda de Pockels se accione en cualquier polaridad cuando los circuitos electrónicos son simétricos.
Aparatos y métodos divulgados en este documento por lo tanto pueden lograr una calidad deseada de energía láser pulsada alternando entre dos modos de operación en un único resonador, en lugar de a través del uso de dos resonadores separados. También, una única celda de Pockels, operando en los modos discutidos anteriormente, puede eliminar la necesidad de un dispositivo de bloqueo de modo adicional para establecer un pulso bloqueado de modo dentro del resonador. Debido a que la celda de Pockels no requiere operación a una frecuencia resonante, la sincronización con el tiempo de ida y vuelta de pulso se lleva a cabo a través del ajuste del período de la modulación de voltaje de polarización, eliminando de esa manera la necesidad de ajustar la longitud de resonador.
Los aparatos y métodos divulgados en este documento se simplifican significativamente en muchos casos debido al número reducido de componentes y/o demandas reducidas en términos de voltaje de polarización y otros parámetros operativos. Los dispositivos pueden operarse usando una forma de onda modulada de acuerdo con los requisitos y parámetros establecidos en este documento, y usando la configuración electrónica discutida anteriormente o diversas configuraciones equivalentes como sería evidente para alguien de experiencia normal, que tenga el beneficio de la presente divulgación. Otras realizaciones de la invención pueden involucrar la introducción de componentes ópticos convencionales para usar en conjunto con los aparatos divulgados en este documento, tales como obturadores o atenuadores de haz, prismas reflectantes u otros componentes reflectantes, filtros, componentes de enfoque de luz tales como concentradores o condensadores, lentes de colimación, polarizadores adicionales, dispositivos electroópticos, y/o espejos, etc. Estas variaciones se contemplan fácilmente, y las modificaciones anteriores por lo tanto están dentro de la previsión de un experto normal, que tenga en cuenta la presente divulgación.
En vista de lo anterior, se verá que se pueden lograr varias ventajas y se pueden obtener otros resultados ventajosos. Se podrían hacer diversos cambios en los aparatos y métodos anteriores sin apartarse del alcance de la presente divulgación. Está previsto que toda la materia contenida en esta solicitud, incluyendo todos los mecanismos teóricos y/o modos de interacción descritos anteriormente, se interprete solamente como ilustrativa y sin limitar de ningún modo el alcance de las reivindicaciones anexas.
A lo largo de esta divulgación, diversos aspectos se presentan en un formato de rango. Se debe considerar que la descripción de un rango ha divulgado específicamente todos los subrangos posibles así como valores numéricos individuales dentro de ese rango. Por ejemplo, se debe considerar que la descripción de un rango tal como desde 1 a 6 tiene subrangos divulgados específicamente tales como desde 1 a 3, desde 1 a 4, desde 1 a 5, desde 2 a 4, desde 2 a 5, desde 3 a 6 etc, así como números enteros y fraccionarios individuales dentro de ese rango, por ejemplo, 1, 2, 2.6, 3, 4, 5, y 6. Esto se aplica independientemente de la amplitud del rango.
El siguiente ejemplo se establece como representativo de la presente invención. Este ejemplo no debe interpretarse como limitante del alcance de la invención ya que otras realizaciones y aspectos de la invención son evidentes en vista de la presente divulgación.
Ejemplo 1
Se usa un aparato láser como se describe en este documento para generar energía láser pulsada que tiene una duración de pulso de aproximadamente 100-200 ps con aproximadamente 500-750 mJ/pulso. El aparato láser incluye un resonador con dos espejos sustancialmente totalmente reflectantes en extremos opuestos de su eje óptico. Un medio de formación de láser de cristal de alejandrita, un polarizador, y una celda de Pockels se posicionan a lo largo de este eje óptico. También se incluye una lámpara de destellos ópticos para bombear el medio de formación de láser de alejandrita, que genera energía láser que tiene una longitud de onda en el rango de 700-950 nm.
La energía láser pulsada descrita anteriormente se genera bombeando el medio de formación de láser y estableciendo primero un pulso bloqueado de modo que oscila en el resonador. En el modo operativo de pulso bloqueado de modo, se aplica a la celda de Pockels una forma de onda de voltaje dependiente del tiempo, como se describe en este documento. Esta forma de onda resulta de la suma de un voltaje de línea base constante y un voltaje diferencial dependiente del tiempo. El voltaje de línea base está en el rango de 1000-1500 voltios (que representa 40%-60% del voltaje de cuarto de onda de celda de Pockels, o 2500 voltios) y está compensado negativamente o modulado por el voltaje diferencial dependiente del tiempo, que tiene una amplitud en el rango de 250-750 voltios (que representa 10%-30% del voltaje de cuarto de onda de celda de Pockels). El período de la forma de onda de voltaje resultante está en el rango desde 5-10 ns y es igual al tiempo de ida y vuelta de la energía láser oscilante en el resonador. El voltaje aplicado a la celda de Pockels se modula de este modo a una frecuencia en el rango desde 100-200 MHz.
Subsecuentemente, el pulso bloqueado de modo establecido como se describió anteriormente se amplifica descargando la celda de Pockels a esencialmente 0 voltios. La energía láser oscilante se refleja entre los espejos en cada extremo del resonador, esencialmente sin pérdidas. Por lo tanto esta energía láser aumenta rápidamente en amplitud al extraer energía previamente bombeada y almacenada en el cristal de alejandrita durante el bloqueo de modo. Cuando la energía láser ha alcanzado el nivel de energía deseado como se indicó anteriormente, se extrae desde el resonador aplicando el voltaje de cuarto de onda de 2500 voltios a la celda de Pockels.
La electrónica de conmutación usada para operar el láser en modos de pulso y de amplificación bloqueados de modo, y finalmente, para extraer el pulso amplificado como se discutió anteriormente, comprende 3 conmutadores MOFSET, dos resistencias de carga, dos circuitos de acoplamiento, y tres fuentes de voltaje que tienen voltajes V100 en el rango de 200 a 750 voltios, V200 en el rango de -900 a -1000 voltios, y V300 en el rango de 2000 a 2500 voltios. Los conmutadores, resistencias, circuitos de acoplamiento, y fuentes de voltaje están configurados como se muestra en la figura 4.
Se aplica energía láser que tiene la duración de pulso y energía como se describió anteriormente a un paciente que se somete a un tratamiento para la eliminación de un tatuaje. Esta energía láser se aplica en el transcurso de una sesión de tratamiento de 30 minutos a todas las áreas de la piel que tienen partículas de pigmento de tatuaje no deseadas. La alteración fotomecánica de estas partículas se efectúa usando la duración de pulso corto (por debajo
del tiempo de tránsito de una onda de sonido a través de las partículas de pigmento de tatuaje objetivo), junto con una fluencia en el rango de 2-4 j/cm2 Esta fluencia se logra con un diámetro de punto de energía láser de aproximadamente 5 mm.
La mayoría si no todas las partículas de pigmento de tatuaje no deseadas se alteran, desestabilizan, y/o se rompen fotomecánicamente de manera efectiva usando uno o dos tratamientos. Como resultado, las partículas alteradas se eliminan del cuerpo a través de procesos fisiológicos normales, tales como respuesta inmunitaria. El tatuaje de este modo finalmente se elimina de la piel sin que queden signos visibles. De esta manera, diversos métodos descritos en este documento se consideran métodos para tratar o eliminar partículas pigmentadas tales como partículas de tatuajes.
Claims (3)
1. Un método para eliminar pigmentación de la piel, debida a partículas de pigmento, que comprende exponer piel pigmentada a energía láser pulsada con pulsos que invocan alteración fotomecánica de las partículas de pigmento objetivo, facilitando de esa manera su eliminación mediante los procesos naturales de eliminación del cuerpo, en donde los pulsos se suministran a una duración que es desde dos veces a cinco veces el tiempo de tránsito acústico a través de una partícula de pigmento que tiene un diámetro de aproximadamente 1 micrómetro, en donde el tiempo de tránsito acústico de una onda de sonido en una partícula se calcula dividiendo el radio de la partícula por la velocidad de sonido en la partícula.
2. Un método como en la reivindicación 1, en donde la energía láser pulsada tiene una duración de como máximo 500 ps y una energía de al menos 100 mJ.
3. Un método como en cualquier reivindicación precedente, en donde la pigmentación de la piel es pigmentación de la piel que se produce de manera natural.
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