ITMO20080297A1 - Sorgente laser secondaria e dispositivo laser. - Google Patents
Sorgente laser secondaria e dispositivo laser.Info
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Description
DESCRIZIONE
annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo: "Sorgente laser secondaria e dispositivo laser.".
L'invenzione è relativa ad un dispositivo laser di potenza per l'impiego nella medicina e nell'industria. Più in particolare l'invenzione è relativa ad una prima sorgente laser di potenza a semiconduttore (diodo), che tramite una fibra ottica eccita "o pompa" un secondo dispositivo laser allo stato solido, preferibilmente di tipo a cristallo, che è posto esternamente all'apparecchio ed è sostituibile con un altro dispositivo laser, preferibilmente di tipo a cristallo, ma con differenti caratteristiche ottiche, in particolare lunghezza d'onda, potenza, divergenza, qualità del fascio laser (TEM00 e M<2>), modalità d'impulso continuo, ripetuto o Q-switched.
Il dispositivo in oggetto può essere utilizzato per trattamenti chirurgici, terapeutici ed estetici. In campo industriale il dispositivo può essere impiegato per l'ablazione, la saldatura, la foratura, la marcatura ed il trattamento termico, di materiali metallici, semiconduttori, vetrosi, ceramici, plastici e del legno. La tecnologia attuale consente di realizzare molti dispositivi laser di tipologia a gas, a liquido, allo stato solido (cristalli) ed a semiconduttore (diodi laser), che generano radiazioni direzionali, coerenti e monocromatiche su un'ampia gamma di lunghezze d'onda.
In particolare, nel campo dermatologico ed estetico medicale, i laser sono ampiamente impiegati per la riduzione ed eliminazione di difetti e disordini dovuti a svariate patologie, quali lesioni pigmentate, vascolari, acne e lesioni cutanee in genere. Inoltre vengono utilizzati per attività di tipo cosmetico come la rimozione di tatuaggi, la depilazione, il ringiovanimento cutaneo e la riduzione delle rughe.
I laser in dermatologia sono basati principalmente sul concetto dell'assorbimento selettivo della radiazione laser nella pelle da parte del relativo bersaglio, che in gergo è denominato cromoforo. L'impiego dell'opportuna lunghezza d'onda insieme alle modalità di dosaggio dell'energia laser nel tessuto umano (potenza, densità d'energia e tempi di esposizione), determinano la corretta risoluzione del problema medico e/o estetico. Per ottenere il miglior risultato clinico in ogni situazione, è necessario l'impiego di differenti lunghezze d'onda laser. La specifica lunghezza d'onda consente il massimo assorbimento della radiazione laser da parte del cromoforo bersaglio, unitamente alla limitazione del danno termico periferico e la conseguentemente non invasività del trattamento. Con elevate potenze e piccole dimensioni del fascio laser ovvero con alta densità di energia, è possibile effettuare anche trattamenti chirurgici.
La vaporizzazione e/o la coagulazione del bersaglio dipendono fortemente dalla lunghezza d'onda del fascio laser. In particolare, la radiazione ottica infrarossa presenta picchi di assorbimento molto elevati da parte dell'acqua in corrispondenza delle seguenti bande spettrali: 1.7, 2.2, 2.8-3.2 e per valori maggiori di 5 micron. La profondità di penetrazione nella pelle di un fascio laser a queste frequenze è sostanzialmente limitata a poche decine o a centinaia di micron. L'interazione laser-tessuto umano a queste lunghezze d'onda produce effetti di tipo ablativo e di vaporizzazione.
Anche in ambito industriale la possibilità di disporre di più lunghezze d'onda permette l'ablazione, la fusione, la saldatura, la marcatura ed il trattamento termico dei più disparati materiali. Per ottenere il risultato desiderato, sostanzialmente ogni tipologia di materiale necessita di una opportuna lunghezza d'onda, ovvero della corretta interazione della radiazione laser con il materiale bersaglio. Il processo di lavorazione dipende fortemente anche dalle caratteristiche di potenza, densità d'energia e tempo di irraggiamento. Il risultato finale è quindi legato a tutte le suddette caratteristiche .
Esistono a tutt'oggi un'ampia gamma di sorgenti laser di potenza, ma in ogni caso, ogni dispositivo genera un'unica determinata lunghezza d'onda. Sono disponibili laser accordabili o a multi-frequenza, cioè laser in grado dì produrre una simultanea emissione di varie lunghezze d'onda, ma questi sistemi sono estremamente complessi, producono potenze di livello basso-medio e sono pertanto solitamente dedicati alla ricerca scientifica.
Poiché un dispositivo laser è in grado di emettere una radiazione luminosa ad un'unica lunghezza d'onda, per poter eseguire trattamenti o lavorazioni diverse è necessario disporre di più apparecchiature laser con differenti lunghezze d'onda ideali. In alternativa esistono apparecchi molto complessi, ingombranti e di alto costo, che integrano due o più sorgenti laser. Solo recentemente in ambito medico è stato introdotto sul mercato un apparecchio che utilizza una sorgente laser a cristalli, eccitata per mezzo di una lampada, che a sua volta eccita una sorgente laser remota, anch'essa a cristalli, per 1' ottenimento di più lunghezze d'onda (Brevetto WO 2008/042854 Al).
I dispositivi laser a cristalli comprendono normalmente una lampada a scarica per l'eccitazione dei cristalli. I dispositivi laser di questo tipo sono sempre complicati ed ingombranti a causa della loro intrinseca natura e della bassa efficienza (massima 5%). Generalmente richiedono sistemi di raffreddamento a liquido ed una costosa e frequente manutenzione (es. sostituzione delle lampade a scarica, liquido di raffreddamento, filtri, ecc. ). Inoltre presentano caratteristiche ottiche del fascio laser (TEM e M<2>) scadenti, soprattutto ad elevate potenze.
Una valida ed innovativa alternativa per la generazione di radiazione laser con differenti lunghezze d'onda è quella dell'impiego dei dispositivi laser a semiconduttori. Il laser a semiconduttore (diodo laser) è attualmente il migliore dispositivo rispetto tutte le altre tipologie laser, in termini di efficienza (60%), durata, affidabilità e compattezza. Può essere utilizzato direttamente o impiegato per l'eccitazione di laser allo stato solido (cristalli) e laser in fibra ottica (Fiber Laser). Di contro il laser a semiconduttore presenta una elevata divergenza ottica, che ne limita 1'impiego ed aumenta la complessità ed il costo dei dispositivi commerciali.
Già da diverso tempo, l'eccitazione di sistemi laser a cristalli tramite diodi laser, detti anche DPSSL (Diode Pumped Solid State Laser), ha avuto un enorme sviluppo. Oggi sono disponibili sorgenti laser di questa tipologia con potenze dell' ordine dei kW.
La possibilità di eccitare otticamente con diodi laser differenti cristalli drogati con differenti elementi, consente di ottenere diverse lunghezze d'onda, che sono caratteristiche intrinseche del cristallo stesso.
Ad esempio i cristalli drogati al Nd (Neodimio), presentano alcune righe spettrali di assorbimento nel campo infrarosso vicino (NIR), come 808 e 880 nm. La possibilità di disporre di diodi laser che generano questa lunghezza d'onda ne permette l'impiego come sorgenti ottiche di eccitazione.
L'elevata efficienza dei diodi (60%) e le basse perdite totali dovute al processo di eccitazione (circa 30-50%), consentono di disporre dì unità molto compatte, anche raffreddate ad aria.
Esiste anche la possibilità di utilizzare particolari cristalli ad ampia banda di emissione (Es.
Titanio:zaffiro - Ti:sapphire), che è possibile fare oscillare su una determinata frequenza entro la banda d'emissione possibile.
Inoltre è possibile generare altre frequenze utilizzando il principio dello spostamento spettrale (shift) Raman.
Sono quindi realizzabili sorgenti DPSSL che generano lunghezze d'onda differenti:
1053, 1064, 1330 1440 nm per Nd:YAG,Nd:YAP,Nd:YLF e Nd:YV04, Nd:Cr:GSGG;
1030 nm per il Yb:YAG;
2.0-2.1 pm per Ho:YAG;
1.7-2.2 pm (accordabili) per Tm:YAG,Tm:YAP,TM:YLF;
1.54 pm per Er:Glass;
2.71-2.94 pm per Er:YAG, Er:YAL03,Er:YLF e Er:Cr:YSGG. L'ulteriore impiego all'interno della sorgente laser a cristalli, di cristalli aggiuntivi detti "non lineari" (Non Linear Crystal), consente la generazione di frequenze doppie, triple, quadruple, quintuple, e radiazioni intermedie per somma o sottrazione di frequenze. A titolo d'esempio si usano i cristalli KTP e LBO per la duplicazione della frequenza fondamentale del Nd:YAG, Nd:YAP, Nd:YLF e Nd:YV04, ottenendo emissioni laser nel campo visibile, 532 nm, e cristalli BBO e LBO per la generazione di frequenze nel campo ultravioletto, a 335 nm e 266 nm.
Disponendo di più cristalli in cascata è possibile realizzare un sistema laser che genera una determinata lunghezza d'onda, con modalità di funzionamento sia continuo che pulsato.
Ulteriormente, è possibile inserire all'interno della cavità ottica, dei cristalli che funzionano come assorbitori saturabili, sia attivi che passivi, o altri dispositivi di tipo acusto-ottico o elettro-ottico. Questi dispositivi consentono l'emissione laser di tipo impulsivo, sfruttando il principio di una brusca variazione del coefficiente di bontà (Q) della cavità ottica. Detta caratteristica genera l'emissione di impulsi ottici, detti "Q-switched", solitamente con potenze di picco molto elevate (MW), e tempi d'impulso compresi tra centinaia di ps e decine di ns.
Ricordiamo tra questi alcuni assorbitori saturabili come il Cr<4+>:YAG, V:YAG e KD*P , di tipo passivo, ed altri materiali come il Quarzo e LiNb03per dispositivi attivi di tipo acusto-ottico. Cristalli come ADA, ADP, CDA, KDA, KDP, RDP sono impiegati per Q-Switch di tipo elettro-ottico. ;Attualmente sono reperibili sul mercato sorgenti laser di piccola e media grandezza con buone proprietà ottiche. ;II limite delle sorgenti sopra descritte è comunque costituito dall'unicità della radiazione laser emessa. Inoltre le sorgenti descritte devono essere dislocate all'interno di un unico apparecchio, ad uso medico o industriale. Questo comporta la duplicazione di alcune parti elettriche e meccaniche complicando ulteriormente l'intero dispositivo. ;La complessità dell'apparecchio, causata dalla presenza di più sorgenti laser, comporta un elevato volume dello stesso ed una conseguente bassa portabilità del dispositivo. Non ultimo un costo molto elevato dovuto alla integrazione di due o più sorgenti laser distinte. ;Sono inoltre noti dispositivi relativi a laser a cristalli "pompati" otticamente tramite fibre ottiche e sorgenti esterne (Brevetto US4,723,257). La potenza di emissione laser è dell'ordine di pochi mW. Questi dispositivi sono generalmente ad uso scientifico o per puntamento, e perciò non possono essere impiegati per applicazioni di tipo medico-chirurgico, estetico, o industriale. La struttura meccanica di tali dispositivi noti, la tipologia di componenti ottici citati e la mancanza di raffreddamento attivo, limitano fortemente le prestazioni della sorgente laser. Inoltre, se le sorgenti laser di pompa sono a cristalli, è necessario sostituire con una certa frequenza le lampade di eccitazione. Deve inoltre essere predisposto un circuito di raffreddamento ad acqua, da controllare e mantenere in buona efficienza attraverso la frequente sostituzione del liquido refrigerante e dei filtri vari. ;Sono già realizzabili e disponibili sul mercato sorgenti laser integrate e di potenza, anche di dimensioni contenute (un decimetro cubo), che generano una singola emissione laser nella banda ottica dal ultravioletto all'infrarosso. Queste sorgenti laser integrate, per poter operare correttamente e stabilmente, presentano all'interno sia la sorgente primaria a diodi laser (o pompa), sia il sistema laser secondario a cristalli. ;Questi due dispositivi di tipo noto devono essere precisamente comandati e opportunamente raffreddati per poter operare efficientemente e con continuità. A tal fine è necessario predisporre un dispositivo di raffreddamento, ad esempio uno scambiatore di calore aria-aria o aria- acqua di tipo passivo o attivo, che incrementa notevolmente le dimensioni dei dispositivi. Le dimensioni totali del dispositivo ed il relativo peso rendono impossibile l'integrazione delle sorgenti laser in un involucro, detto comunemente "manipolo", di dimensioni contenute. Inoltre, a causa della struttura intrinseca del sistema ottico, la sostituzione della sorgente laser integrata con un'altra di differenti caratteristiche ottiche (lunghezza d'onda, potenza), comporta la sostituzione dell'intera sorgente laser, incluso il diodo laser di pompa. ;Scopo della presente invenzione è quello di offrire un dispositivo laser che consenta l'emissione di fasci laser di diversa lunghezza d'onda con una sola sorgente primaria. Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di offrire una sorgente primaria ed una sorgente secondaria tra loro accoppiabili per definire un dispositivo laser. ;Caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno maggiormente dalla descrizione dettagliata fatta qui di seguito con riferimento agli uniti disegni, dati a titolo esemplificativo e non limitativo, in cui: ;- la figura 1 mostra una rappresentazione schematica di un dispositivo laser secondo la presente invenzione; - la figura 2 mostra una rappresentazione schematica di una sorgente primaria secondo la presente invenzione; - la figura 3 mostra una rappresentazione schematica di un primo esempio di una sorgente secondaria secondo la presente invenzione; ;- le figure 4A,4B,4C mostrano tre esempi di cristalli laser predisposti per l'utilizzo in una sorgente secondaria secondo la presente invenzione; ;- le figure 5 e 6 mostrano schematicamente due esempi di realizzazione della sorgente secondaria secondo la presente invenzione, completi di un dispositivo di raffreddamento. ;In figura 1 è mostrato schematicamente un dispositivo laser 100 secondo la presente invenzione. Il dispositivo include un'unità laser principale 101 che comprende una sorgente laser primaria 102, preferibilmente a semiconduttore ed in particolare a diodi. L'unità laser principale 101 comprende inoltre una unità di alimentazione 103, predisposta per l'alimentazione energetica della sorgente laser primaria 102. Una unità di controllo 104, provvista di una unità di comando 105 comprensiva d'interfaccia utente hardware e/o software quale ad esempio un display ed una tastiera, è predisposta per il controllo della sorgente laser primaria 102. L'unità di controllo 104 comprende ad esempio un PC, un PLC, un microprocessore o più semplicemente una scheda elettronica discreta, per consentire l'accensione ed il controllo della corrente elettrica che polarizza il dispositivo laser a semiconduttore . ;L'unità laser principale comprende altresì un dispositivo di raffreddamento 106, predisposto per il raffreddamento della sorgente laser primaria 102. ;In figura 2 è rappresentato schematicamente un esempio di realizzazione della sorgente laser primaria 102, in cui la sorgente primaria 102 è di tipo a diodi. La sorgente laser primaria comprende uno o più emettitori laser a diodi 107,108,109, ciascuno predisposto per emettere una radiazione laser di determinata lunghezza d'onda e potenza. Il numero di diodi laser riportati nello schema di figura 2 è solo indicativo. ;I diodi laser 107,108,109 sono tra loro otticamente combinati per mezzo di un combinatore 110 e sono focalizzati da una lente 111 in modo da produrre una radiazione laser idonea ad eccitare una sorgente laser secondaria 300. La collimazione e la focalizzazione della radiazione laser prodotta dai diodi laser 107,108,109 possono essere ottenute in generale tramite lenti e specchi, oppure tramite aggregazioni di fibre ottiche comunemente dette "bundle". La lente 111 focalizza la radiazione laser prodotta dai diodi 107,108,109 su un connettore ottico 112 per mezzo del guale la radiazione laser viene trasmessa ad una fibra ottica 200. ;La potenza emessa dalla sorgente laser primaria 102 dipende dal numero dei diodi laser utilizzati. La sorgente laser primaria 102 potrebbe comprendere un singolo emettitore laser a diodi oppure, preferibilmente, una pluralità di emettitori disposti secondo una distribuzione lineare, al fine di incrementare la potenza totale della radiazione emessa. Le differenti lunghezze d'onda prodotte dai singoli diodi laser dipendono dalle proprietà chimico-fisiche dei semiconduttori impiegati. La scelta di un particolare semiconduttore consente di ottenere l'emissione di radiazioni laser di prefissate lunghezze d'onda, sia nella regione visibile delle spettro, sia nell'infrarosso vicino e medio. Alcuni esempi delle lunghezze d'onda ottenibili sono, espressi in nm: 390, 410, 430, 450, 630, 645, 650, 660, 670 ,690, 750, 790, 808, 830, 880, 910, 940, 980, 1000, 1060, 1450, 1550 e 2000 nm. Preferibilmente i semiconduttori sono realizzati con tecnologia di crescita epitassiale e basati sulla tecnica MOCVD. I costituenti base sono As e Ga con l'apporto di Al o In. ;Le potenze ottiche possono raggiungere anche le migliaia di Watt in modalità sia continua che pulsata. ;II dispositivo di raffreddamento 106 può essere realizzato con sistemi a convezione o forzata ad aria o acqua, pompa di calore, o in alternativa con sistemi attivi come le celle di Peltier. Ulteriore possibilità è data dalla predisposizione di un impianto refrigerante a scambio aria/acqua, acqua/acqua integrato nell'unità laser principale 101 oppure esterno. Preferibilmente, per ragioni di compattezza del sistema, e compatibilmente con la potenza e i tempi dì emissioni laser, il dispositivo di raffreddamento 106 è del tipo a celle di Peltier. La possibilità di controllo della temperatura dei diodi laser è fondamentale per poter accordare la frequenza di emissione degli stessi. Tipicamente la variazione di frequenza di emissione è di 0.3 nm/°C. La perfetta centratura della radiazione laser di pompa con la banda di assorbimento della sorgente laser secondaria a cristalli, determina la massima potenza e la stabilità di emissione laser. Inoltre la regolazione della temperatura permette di accordare la frequenza della radiazione laser emessa dei diodi laser con la frequenza di assorbimento dei cristalli laser 307 della sorgente laser secondaria 301 che verrà illustrata nel seguito della presente descrizione. ;La sorgente laser primaria 102 ottenuta può raggiungere potenze elevate ed è inoltre in grado di emettere radiazioni laser di varie lunghezze d'onda. La sorgente è inoltre compatta, efficiente, a basso consumo elettrico, affidabile ed economica. ;Il dispositivo laser secondo la presente invenzione comprende almeno una fibra ottica 200, predisposta per trasportare la radiazione laser dalla sorgente primaria 102 ad una seconda unità laser 300. Preferibilmente la fibra ottica 200 ha un diametro del "core", ovvero della parte effettivamente conduttiva, compreso tra 50 e 2000 pm. Generalmente le fibre ottiche preposte per portare la radiazione laser dalla sorgente laser primaria a quella secondaria sono realizzate in vetro o quarzo. Per alte potenze è preferibile una fibra ottica in quarzo. La fibra ottica 200 che trasporta la radiazione laser della sorgente laser primaria 102 può disporre di un apposito connettore ottico 310, per la connessione alla sorgente laser secondaria 301, oppure può essere direttamente accoppiata alla sorgente 301 stessa. Tra l'unità laser principale 101 e la seconda unità laser 300 è interposta anche una connessione elettrica che può servire sia per l'alimentazione dei sensori e componenti presenti nella seconda unità laser 300, sia, in particolare, per l'alimentazione delle celle di Peltier, descritte nel proseguimento della presente descrizione, che sono presenti all'interno della seconda unità laser 300. ;La seconda unità laser 300 comprende una sorgente laser secondaria 301, preferibilmente di tipo a cristalli (solid state), ed un dispositivo di raffreddamento 302 predisposto per raffreddare la sorgente laser secondaria. Il dispositivo di raffreddamento 302 può essere scelto tra quelli descritti per il raffreddamento della sorgente laser primaria 102. Il raffreddamento delle due sorgenti laser primaria e secondaria potrebbe comunque essere affidato ad un unico dispositivo di raffreddamento, che anche in questo caso può essere scelto tra quelli descritti per il raffreddamento della sorgente laser primaria 102. La radiazione laser di uscita 303 del dispositivo secondo la presente invenzione viene emessa dalla sorgente laser secondaria 301. ;In figura 3 è illustrato un esempio di realizzazione di una sorgente laser secondaria 301 a cristalli (solid state). La configurazione riportata in questo schema è chiamato a "pompaggio" longitudinale o "end-pumping". Il valore di efficienza di conversione di tale configurazione è tra i più elevati, unitamente alle migliori caratteristiche ottiche del fascio laser (TEM e ;M<2>). ;La sorgente laser secondaria 301 di figura 3 comprende almeno una coppia di ottiche o specchi 306 che formano il gruppo ottico di focalizzazione della radiazione laser proveniente dalla sorgente laser primaria 102. La sorgente laser secondaria 301 comprende inoltre un cristallo laser 307 ed un'ottica o lente detta di "pompa" 304 che è interposta tra il gruppo ottico di focalizzazione 306 ed il cristallo laser 307. L'ottica di pompa 304 è trasparente alla sola radiazione laser generata dalla sorgente laser primaria 102, mentre è totalmente riflettente alla radiazione fondamentale generata dal cristallo laser 307 e alle altre frequenze generate all'interno del risonatore da parte di eventuali cristalli non lineari 308,309 che verranno descritti in seguito. L'ottica di pompa 304 potrebbe anche non essere presente come elemento a sé stante, bensì potrebbe essere direttamente realizzata sul cristallo laser 307. ;La sorgente laser secondaria 301 comprende anche un'ottica di uscita 305, posta a valle del cristallo laser 307, che è parzialmente trasmittente alla lunghezza d'onda per cui la sorgente laser secondaria 301 è progettata. L'ottica di uscita 305 e l'ottica di pompa 304 formano il cosiddetto risonatore ottico. In caso di presenza del solo cristallo laser 307, la trasmissione ottica del fascio laser sarà relativa alla lunghezza d'onda fondamentale del cristallo stesso, ad esempio 1064 nm per Nd.YAG. La percentuale di trasmissione può variare tra 50% e 1%, a seconda delle caratteristiche di guadagno intrinseco della sorgente laser secondaria stessa. Il valore della percentuale di trasmissione è fortemente determinato dal tipo di cristallo laser 307, dalle perdite interne dei componenti ottici, dalle specifiche caratteristiche ottiche del risonatore e dalle condizioni di operatività del sistema, continuo o in regime impulsivo. A titolo d'esempio, in caso di eccitazione continua, per i laser a Nd:YV04 la percentuale di trasmissione può variare tra 10 ed 30%, mentre per il cristallo Tm:YAG è tra 1 e 5%. Tra il cristallo laser 307 e l'ottica di uscita 305 possono essere interposti uno o più cristalli non lineari 308, 309 predisposti per moltiplicare di un fattore determinato la lunghezza d'onda della radiazione laser. In questo caso la percentuale di trasmissione della radiazione laser dell'ottica di uscita 305 dovrà essere massima, più vicina possibile al 100%, nei confronti della lunghezza d'onda moltiplicata dai cristalli non lineari. Di conseguenza, la riflettività dell'ottica di uscita 305 dovrà essere massima (100%) nei confronti della lunghezza d'onda fondamentale del cristallo laser 307. In caso di emissione di una radiazione laser che presenta una contemporanea oscillazione di più frequenze laser, si dovranno considerare delle opportune percentuali di riflettività per ogni specifica lunghezza d'onda. ;II cristallo laser 307, detto anche "mezzo laserante", può essere realizzato in varie forme geometriche, cilindro, parallelepipedo, disco, cubo o sfera. Il cristallo laser è comunemente realizzato in materiale otticamente trasparente come YAG, YAP, YLF, YV04,YSGG, GSGG, GDV04, FAP, Kgd(W04)2, SFAP, vetro, ceramica ed in ogni combinazione di essi. Il drogante o mezzo "laserante", generalmente appartenente al gruppo delle terre rare, è costituito dai seguenti elementi: Ce, Cr, Er, Ho, Nd, Th, Tm, Sm, Yb ed in ogni combinazione di essi. Preferibilmente il cristallo laser 307 deve essere di tipologia composita, realizzato tramite la tecnica di saldatura "diffusion bonding", con terminali non drogati "end cup" (Figura 4A), a drogaggio discreto (Figura 4B), o a drogaggio variabile (Figura4C), quest'ultimo ottenibile con cristalli di tipo ceramico. L'utilizzo di questi cristalli riduce notevolmente la formazione della "lente termica", ovvero della deformazione locale dei cristalli dovuta alla temperatura, , che è responsabile della diminuzione delle prestazioni ottiche (potenza e qualità del fascio) dell'intera sorgente laser secondaria. Il cristallo laser 307 a interfacce non drogate "end cups" di figura 4A, è composto da una parte centrale a drogaggio costante 400, mentre le due parti terminali (end) ne sono prive 401. Ciò comporta una minor lente termica, in quanto il punto di assorbimento della radiazione laser di eccitazione "pompa" si trova all'interno del cristallo 402 e non più sull'interfaccia aria-cristallo 403, come avviene nei classici cristalli a drogaggio uniforme. Nella rappresentazione di figura 4B, il cristallo 307 comprende, oltre alle due zone non drogate 401, più strati discreti con differenti livelli di drogaggio 404, 405 ,406 407. In questo modo la lente termica si suddivide in più lenti termiche, di minore entità, distribuite su più interfacce 408, migliorando ulteriormente il comportamento del cristallo. Il cristallo rappresentato in figura 4C presenta una distribuzione continua, secondo un determinato profilo 409, del livello di drogaggio, ed offre migliori prestazioni rispetto ai due precedenti cristalli. ;Per emissioni di frequenze duplicate, triplicate, quadruplicate e altre armoniche , così come per somma o sottrazione di frequenze, ed ancora per emissione ad effetto Raman, è necessario inserire almeno un cristallo o mezzo non lineare 308,309 tra il cristallo laser 307 e l'ottica di uscita 305. Alcuni esempi di cristalli non lineari idonei sono: ADA, ADP, APDA, Banana (Ba2NaNb50i5), BBO, CBO, CDA, CdSe, DADA, DADP, DCDA, DKB5, DKDA, DKDP, DRDA, DRDP, KB5, KCN, KDP, KLN, KNb03, KTA, KTP, LBO, LFM, LiI03, LiNb03, MgO:LiNb03, MHBA, RDA, RDP, Urea, ZnGeP2. ;Per ottenere effetti di triplicazione e quadruplicazione ed oltre, sono necessari due o più cristalli. Ogni cristallo può essere singolarmente controllato in temperatura, con mezzi passivi o attivi (es. celle di Peltier) che ne determinano la stabilità operativa. A titolo d'esempio si usano comunemente cristalli KTP e LBO per la duplicazione della frequenza fondamentale dei cristalli drogati al Nd. La classica lunghezza d'onda fondamentale del Nd:YAG e Nd:YV04 è di 1064 nm. In questo caso i cristalli non lineari citati duplicano la frequenza fondamentale d'oscillazione. Così l'emissione fondamentale di tipo infrarosso è ora convertita in radiazione laser visibile nella regione verde dello spettro, 532 nm. Allo stesso modo è possibile procedere alla duplicazione, triplicazione, quadruplicazione ed oltre, di una specifica radiazione laser utilizzando l'opportuna combinazione di cristalli non lineari. ;A titolo d'esempio è possibile quadruplicare la radiazione fondamentale di 1064 nm, con l'inserimento in cavità di un cristallo KTP seguito da un cristallo BBO. In questo caso il secondo cristallo (BBO) duplica la frequenza già precedentemente duplicata (532 nm). Il risultato è una emissione a 266 nm (regione dell'ultravioletto). Le dimensioni di questi cristalli possono variare dai decimi di millimetro ad alcuni centimetri in tutte le direzioni. ;In caso di inserimento di un dispositivo di Qswitching passivo o attivo, uno o più cristalli non lineari possono essere dislocati esternamente al risonatore ottico, a valle dell'ottica di uscita 305. Il gruppo ottico di focalizzazione 306 comprende almeno una lente, ma usualmente è composto da una coppia o da una terna di lenti. La funzione del gruppo ottico 306 è quello di raccogliere la radiazione laser proveniente dalla fibra ottica, collimarla e/o focalizzarla all'interno o in prossimità del cristallo laser 307. Le proprietà ottiche del gruppo ottico di focalizzazione 306 sono importanti per illuminare al meglio il cristallo laser 307. Il diametro del fascio laser focalizzato (spot size) e la profondità di fuoco sono determinanti per un corretto accoppiamento ottico. II gruppo ottico 306 potrebbe anche non essere presente, in tal caso la radiazione laser proveniente dalla fibra ottica 200 entra direttamente nell'ottica di pompa 304. ;La sorgente laser secondaria 301 potrebbe essere dotata di un elemento di Q-switching (Q-S) 311. Tale componente, di tipo passivo o attivo, permette la generazione di impulsi ottici molto potenti e brevi nel tempo (da centinaia di ps a centinaia di ns). Alcuni esempi di elementi di Q-switching sono alcuni assorbitori saturabili come il Cr<4+>:YAG, V:YAG e KD*P come materiali passivi, il Quarzo, LiNbQ3, Te02per dispositivi Q-S di tipo acusto-ottico, ed i cristalli ADA, ADP, CDA, KDA, KDP, RDP per Q-S di tipo elettroottico. La possibilità di generare impulsi molto brevi ed estremamente potenti è utilizzata in medicina per alcune patologie dermatologiche, come 1'eliminazioni di lesioni pigmentate, e nel campo cosmetico per la rimozione dei tatuaggi. In campo industriale sono impiegati per la marcatura o micro-foratura di componenti e parti dei più svariati materiali (metallici, ceramici, vetrosi, plastici).
In figura 3 è mostrato un ulteriore dispositivo di cui può essere provvista la sorgente laser secondaria 301, ovvero un laser di puntamento 313, a diodo o DPSS, con emissione nel campo visibile, rosso, verde, blu. La funzione del laser di puntamento 313 è quella di identificare e definire con precisione il bersaglio della radiazione laser di uscita 303. In campo medicoestetico, il laser di puntamento 313 è indispensabile per valutare a priori la regione d'intervento. La radiazione laser di uscita 303 della sorgente secondaria si sovrappone alla radiazione ottica visibile del laser di puntamento. Per effettuare la sovrapposizione dei due fasci laser, è necessario disporre un combinatore ottico 312 a valle dell'ottica di uscita 305. Preferibilmente si utilizza uno specchio dicroico che riflette la radiazione laser proveniente dal laser di puntamento 313, e trasmette, con le minime perdite possibili, la radiazione laser proveniente dal cristallo laser 307 o dai cristalli non lineari 308,309. In alternativa al laser di puntamento 313 si possono utilizzare illuminatori a LED.
Le disposizioni del cristallo laser 307, dei cristalli non lineari 308,309 e del dispositivo di Q-switching 311 possono essere tra loro scambiate in vari modi, in relazione a particolari esigenze costruttive della sorgente laser secondaria 301. In alternativa ad un allineamento lineare del tipo illustrato in figura 3, i vari componenti potrebbero essere allineati su più assi, ad esempio su due assi, con disposizione a V, o su tre assi, con disposizione a Z.
II dispositivo di raffreddamento 302 della sorgente laser secondaria 301 è molto importante per garantire elevate potenze di emissione, stabilità di funzionamento ed operatività in regime di emissione continua. Un raffreddamento non sufficiente infatti può generare, nei cristalli attivi, l'insorgenza si elevati gradienti termici (lente termica e distorsioni ottiche), che limitano la massima potenza ottenibile, il tempo d'emissione e degradano le proprietà ottiche della radiazione laser (TEM e M<2>).
Le modalità di raffreddamento sono principalmente funzione della potenza di eccitazione del diodo laser, del tempo di eccitazione, delle modalità di pompaggio (continua o ad impulsi) e delle proprietà termiche della sorgente laser secondaria (a cristalli).
Preferibilmente la sorgente laser secondaria 301 deve essere raffreddata in modo attivo, tramite convezione forzata ad aria o acqua, pompa di calore o per mezzo di celle di Peltier.
In figura 5 è mostrato schematicamente un dispositivo di raffreddamento particolarmente idoneo per il funzionamento continuo non troppo prolungato (alcuni minuti) . Il dispositivo di raffreddamento mostrato in figura 6 comprende una o più celle di Peltier 317 ed uno scambiatore ad aria 318. I cristalli 307,308,309 sono sostenuti da un supporto 315 realizzato in materiale che presenta un'elevata conducibilità termica, ad esempio argento, rame, SìC o diamante sintetico. Le celle di Peltier 317 si trovano in intimo contatto con il materiale di supporto 315 per provvedere al raffreddamento del materiale di supporto 315 stesso e quindi dei cristalli 307,308,309. Lo scambiatore ad aria o radiatore 318 è preferibilmente in materiale ad alta conducibilità, ad esempio alluminio o rame, è predisposto per dissipare il calore assorbito dalle celle di Peltier 317, preferibilmente con l'ausilio di una ventola 319.
In figura 6 è mostrato schematicamente un dispositivo di raffreddamento particolarmente idoneo per tempi d'emissione prolungati. Il dispositivo di figura 7 differisce essenzialmente dal dispositivo di figura 6 per il fatto che comprende uno scambiatore 318 ad acqua anziché ad aria. Anche nel dispositivo di figura 7 il supporto 315 dei cristalli è realizzato in materiale che presenta un'elevata conducibilità termica, ad esempio argento, rame, Sic o diamante sintetico. Le celle di Peltier 317 si trovano in intimo contatto con il materiale di supporto 315 per provvedere al raffreddamento del materiale di supporto 315 stesso e dei cristalli 307,308,309. Lo scambiatore di calore 318, che è attraversato da un circuito di acqua 320, è predisposto per dissipare il calore assorbito dalle celle di Peltier 317.
Dipendentemente dalla destinazione d'uso del dispositivo laser, medico-chirugica o industriale, è possibile disporre un dispositivo di focalizzazione variabile lungo l'asse ottico X. In figura 7 è illustrato un dispositivo ottico di regolazione, comprendente almeno una lente 500, preferibilmente una coppia di lenti 500, che modificano il diametro del punto focale.
Variando la posizione della lente 500 lungo l'asse ottico X, è possibile regolare la dimensione del punto focale della radiazione laser o fascio d'uscita 303 su un piano prestabilito 502. Il dispositivo di focalizzazione, accoppiato alla sorgente laser secondaria 301, consente all'utilizzatore di modificare la densità d'energia per lo scopo prefissato (ablazione, vaporizzazione, fusione, coagulazione e riscaldamento).
Il dispositivo laser può inoltre essere dotato di un dispositivo di deflessione per spostare il fascio laser d'uscita 303 lungo due assi ortogonali su un prestabilito piano 502. In figura 8 è illustrato un dispositivo di deflessione di questo tipo.
Il dispositivo di deflessione comprende una lente 500 predisposta per focalizzare e/o collimare il fascio laser d'uscita 303 su una coppia di specchi 503,504. Ogni specchio è controllato da un dispositivo elettromeccanico che ne regola la posizione angolare. Un primo specchio 503 è ruotabile attorno ad un asse S perpendicolare all'asse ottico X del fascio laser d'uscita 303. Un secondo specchio 504 è ruotabile attorno ad un asse T perpendicolare all'asse di rotazione S del primo specchio 503.
Il fascio laser d'uscita 303 viene deflesso dal primo specchio 503 verso il secondo specchio 504 e riflesso dal secondo specchio verso il piano prestabilito 502. Il fascio laser 505 in uscita dal secondo specchio 504 avrà una direzione, e conseguentemente una posizione sul piano prestabilito 502, determinata dalla posizione angolare di ciascuno specchio 503,504. Una lente 506 può essere predisposta per focalizzare e/o collimare il fascio laser deflesso prima che raggiunga il piano prestabilito 502.
La sorgente laser secondaria secondo la presente invenzione offre importanti vantaggi. Essa consente l'emissione di una radiazione laser di elevata potenza e di ottime caratteristiche ottiche. Essa può essere configurata in vari modi diversi, ciascuno predisposto per l'emissione di una radiazione laser di caratteristiche differenti. La sorgente secondo la presente invenzione presenta inoltre dimensioni contenute ed è pertanto facilmente trasportabile e collegabile alla sorgente laser primaria per mezzo di una fibra ottica. Ciò consente, con una sola sorgente laser primaria, di ottenere l'emissione di una radiazione laser desiderata collegando, alla sorgente laser primaria, un'idonea sorgente laser secondaria che può essere sostituita facilmente con una sorgente laser secondaria diversa per l'emissione di una diversa radiazione laser.
Il dispositivo laser secondo la presente invenzione è estremamente flessibile nel funzionamento, in quanto, grazie alla possibilità di sostituire la sorgente laser secondaria, è in grado di emettere radiazioni laser di caratteristiche differenti. Inoltre la sorgente laser primaria può essere disposta in posizione remota rispetto alla sorgente laser secondaria, offrendo la possibilità di variare il layout del dispositivo laser con notevole libertà. Ulteriore importante vantaggio del dispositivo laser è che necessita di manutenzione molto meno frequente, se non addirittura assente, rispetto ai dispositivi laser di tipo noto.
Claims (24)
- RIVENDICAZIONI 1) Sorgente laser secondaria, comprendente: almeno un cristallo laser (307), predisposto per ricevere in ingresso una radiazione laser e per emettere in uscita una radiazione laser di determinate caratteristiche; un'ottica di uscita (305), predisposta per ricevere la radiazione laser emessa dal cristallo laser (307) e per trasmettere all'esterno almeno una radiazione laser che presenta la stessa lunghezza d'onda della radiazione laser emessa dal cristallo laser (307); caratterizzata dal fatto di comprendere un dispositivo di raffreddamento (302) che comprende: un supporto (315), predisposto per il sostegno del cristallo laser (307), che è realizzato in materiale ad elevata conducibilità termica; almeno un elemento di raffreddamento attivo (317), posta a contatto del supporto (315); uno scambiatore di calore (318), lambito da un fluido di raffreddamento, che è posto a contatto dell'elemento di raffreddamento attivo (317).
- 2) Sorgente laser secondaria secondo la rivendicazione 1, in cui l'elemento di raffreddamento attivo (317) è una cella di Peltier.
- 3) Sorgente laser secondaria secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente un gruppo ottico di focalizzazione (306), predisposto per ricevere in ingresso una radiazione laser e per focalizzare la radiazione laser sul cristallo laser (307).
- 4) Sorgente laser secondaria secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente un'ottica o lente di pompa (304) interposta tra il gruppo ottico di focalizzazione (306) ed il cristallo laser (307).
- 5) Sorgente laser secondaria secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente almeno un cristallo non lineare (308) predisposto per essere attraversato da una radiazione laser e per moltiplicare di un determinato fattore la lunghezza d'onda della radiazione laser da cui è attraversato.
- 6) Sorgente laser secondaria secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente un elemento di Q-Switching (311), predisposto per consentire l'emissione di una radiazione laser ad impulsi.
- 7) Sorgente laser secondaria secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente: un dispositivo di puntamento (313), predisposto per emettere una radiazione laser nel campo del visibile; un combinatore ottico (312), predisposto per sovrapporre la radiazione laser emessa dall'ottica di uscita (305) alla radiazione laser emessa dal dispositivo di puntamento (313).
- 8) Sorgente laser secondaria secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il cristallo laser (307) presenta almeno una porzione centrale (400), contenente una determinata percentuale di materiali droganti, ed almeno due porzioni terminali (401), poste alle estremità della porzione centrale (400), che sono prive di materiali droganti.
- 9) Sorgente laser secondaria secondo la rivendicazione 8, in cui la porzione centrale (400) del cristallo laser (307) è suddivisa in una pluralità di porzioni (404,405,406,407) ciascuna delle quali contiene una diversa percentuale di materiali droganti.
- 10) Sorgente laser secondaria secondo la rivendicazione 9, in cui la percentuale di materiali droganti contenuti nel cristallo laser (307) varia con continuità nelle varie porzioni del cristallo laser (307).
- 11) Sorgente laser secondaria secondo le rivendicazioni da 1,2, 5 e 6, in cui il cristallo laser (307), almeno un cristallo non lineare (308) e l'elemento di Q-switching (311) sono allineati in qualsiasi sequenza lungo un asse ottico (X).
- 12) Sorgente laser secondaria secondo le rivendicazioni 1,2,5 e 6, in cui il cristallo laser (307), almeno un cristallo non lineare (308) e l'elemento di Q-switching (311) sono distribuiti ed allineati lungo due assi che si intersecano tra loro a V.
- 13) Sorgente laser secondaria secondo le rivendicazioni 1,2,5 e 6, in cui il cristallo laser (307), almeno un cristallo non lineare (308) e l'elemento di Q-switching (311) sono distribuiti ed allineati lungo tre assi che si intersecano tra loro a Z.
- 14) Sorgente laser secondo una delle rivendicazioni da 3 a 13, in cui il gruppo ottico di focalizzazione (306) comprende una, due o tre lenti.
- 15) Sorgente laser secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente un dispositivo di focalizzazione che comprende almeno una lente (500), disposta a valle dell'ottica di uscita (305), che è mobile rispetto all'ottica di uscita (305) lungo l'asse ottico (X) in modo da variare il diametro del punto focale della radiazione o fascio laser d'uscita (303) su un piano prestabilito (502).
- 16) Sorgente laser secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente un dispositivo di deflessione, predisposto per spostare il fascio laser d'uscita (303) su un piano prestabilito (502), che comprende una lente (500) predisposta per focalizzare e/o collimare il fascio laser d'uscita (303) su un primo specchio (503), ruotabile attorno ad un asse (S) perpendicolare all'asse ottico (X) del fascio laser d'uscita (303), che è predisposto per indirizzare il fascio laser d'uscita (303) su un secondo specchio (504), ruotabile attorno ad un asse (T) perpendicolare all'asse di rotazione (S) del primo specchio (503).
- 17) Dispositivo laser, comprendente: una sorgente laser primaria (102), predisposta per l'emissione di una radiazione laser; una sorgente laser secondaria (301) secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti; almeno una fibra ottica (200) che si estende tra la sorgente laser primaria (102) e la sorgente laser secondaria (301) ed è predisposta per condurre la radiazione laser emessa dalla sorgente laser primaria (102) alla sorgente laser secondaria (301) e per eccitare il cristallo laser (307).
- 18) Dispositivo laser secondo la rivendicazione 17, in cui la sorgente laser primaria (102) comprende almeno un emettitore laser a diodi (107), predisposto per emettere una radiazione laser di determinata lunghezza d'onda e potenza.
- 19) Dispositivo laser secondo la rivendicazione 18, comprendente almeno un secondo emettitore laser a diodi (108), predisposto per emettere una radiazione laser di determinata lunghezza d'onda e potenza.
- 20) Dispositivo laser secondo la rivendicazione 19, comprendente un combinatore ottico (100) predisposto per combinare tra loro le radiazioni laser emesse dagli emettitori laser a diodi (107,108).
- 21) Dispositivo laser secondo la rivendicazione 17, in cui la sorgente laser primaria (102) e la sorgente laser secondaria (301) sono provviste ciascuna di connettori ottici (112,310) tra i quali si estende la fibra ottica (200).
- 22) Dispositivo laser secondo una delle rivendicazioni da 18 a 21, in cui la sorgente laser primaria (102) comprende un elemento focalizzatore (111) predisposto per focalizzare e collimare la radiazione laser emessa da almeno un emettitore laser a diodi (107).
- 23) Dispositivo laser secondo una delle rivendicazioni da 17 a 22, comprendente un dispositivo di raffreddamento (106) predisposto per raffreddare la sorgente laser primaria (102).
- 24) Dispositivo laser secondo una delle rivendicazioni da 17 a 23, comprendente: un'unità di alimentazione (103), predisposta per l'alimentazione energetica della sorgente laser primaria (102); un'unità di controllo (104), dotata di unità di comando (105), predisposta per il controllo della sorgente laser primaria (102).
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