JP2004006526A

JP2004006526A - レーザ装置

Info

Publication number: JP2004006526A
Application number: JP2002160287A
Authority: JP
Inventors: Hidehiro Ichikawa; 市川　英裕
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2004-01-08

Abstract

【課題】励起用の半導体レーザ光源の温度変動を抑え、より安定した状態で動作させることができるレーザ装置を提供すること。
【解決手段】半導体レーザ光源からの励起光により固体レーザ媒質を励起してレーザ光を出射するレーザ装置において、前記半導体レーザ光源が出射する励起光の出力を検知する出力検知手段と、前記半導体レーザ光源を冷却する冷却手段と、前記半導体レーザ光源を駆動する電源部と、該電源部により前記半導体レーザ光源に与えられるエネルギと前記出力検知手段により検知された励起光の出力とに基づいて、前記冷却手段の駆動情報を決定する冷却制御手段と、を備える。
【選択図】　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ光源からの励起光によって固体レーザ媒質を励起し、治療などに使用するレーザ光を得るレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
レーザ光源からの治療用レーザ光を、スリットランプデリバリやエンドフォトプローブを用いて患部に導光するレーザ治療装置が知られている。治療用レーザ光源として、半導体レーザ光源からのレーザ光を励起に用いた固体レーザがある。半導体レーザ光源の発振波長は温度に依存しているため、励起を効率よく行うためには半導体レーザ光源の温度制御をして、中心波長を一定にする必要がある。半導体レーザ光源からの発熱による温度上昇を防ぐために、半導体レーザ光源には冷却ユニットが設けられている。半導体レーザ光源の温度を一定に保つためには、半導体レーザ光源の近くに設けられた温度センサからの温度情報を基に、冷却ユニットの駆動を制御している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、温度センサが半導体レーザ光源の直近に配置されていない場合、実際の半導体レーザからの発熱による温度上昇と温度センサで検知する温度に時間的な応答遅れが生じてしまう。そのため、冷却ユニットの駆動に追従遅れが生じ、半導体レーザ光源の温度がずれることによって発振波長が変動してしまい、結果的に安定して固体レーザ光源を駆動できないという問題があった。殊に眼科用のレーザ光凝固装置では、例えば０．２秒照射、０．４秒休止という様なパルス動作を繰り返すといった使用方法が一般的であるので、半導体レーザ光源の温度の変動が起こりやすい。
【０００４】
本発明は、上記従来技術を鑑み、励起用の半導体レーザ光源の温度変動を抑え、より安定した状態で動作させることができるレーザ装置を提供することを技術課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
（１）　半導体レーザ光源からの励起光により固体レーザ媒質を励起してレーザ光を出射するレーザ装置において、前記半導体レーザ光源が出射する励起光の出力を検知する出力検知手段と、前記半導体レーザ光源を冷却する冷却手段と、前記半導体レーザ光源を駆動する電源部と、該電源部により前記半導体レーザ光源に与えられるエネルギと前記出力検知手段により検知された励起光の出力とに基づいて、前記冷却手段の駆動情報を決定する冷却制御手段と、を備えることを特徴とする。
（２）　（１）のレーザ装置において、さらに、前記半導体レーザ光源に熱伝導部材を介して配置された温度センサを備え、前記冷却制御手段は前記温度センサにより検知された温度と目標温度との差に基づいて前記冷却手段の駆動情報を随時補正することを特徴とする。
（３）　（１）のレーザ装置は、前記半導体レーザ光源に流れる電流を検知する電流検知手段を備え、前記冷却制御手段は、前記電源部が前記半導体レーザ光源に印加する電圧値と前記電流検知手段により検知された電流値とから、前記半導体レーザ光源に与えられるエネルギを演算することを特徴とする。
（４）　（１）のレーザ装置は、前記半導体レーザ光源に熱伝導部材を介して配置された温度センサと、レーザ光の出力及びレーザ光の照射時間と休止時間とを設定する設定手段と、ある照射条件の設定でレーザ光を出射したときの前記温度センサからの温度検知情報と前記冷却手段の駆動情報とを記憶する記憶手段を備え、前記冷却制御手段は、レーザ出射の際に前記記憶手段に記憶された温度検知情報と前記設定手段により設定された条件とに基づいて、前記記憶手段に記憶された前記駆動情報を補正し、該補正した駆動情報に基づいて前記冷却手段の駆動を制御することを特徴とする。
（５）　半導体レーザ光源からの励起光により固体レーザ媒質を励起してレーザ光を出射するレーザ装置において、前記半導体レーザ光源を冷却する冷却手段と、前記半導体レーザ光源に熱伝導部材を介して配置された温度センサと、レーザ光の出力及びレーザ光の照射時間と休止時間とを設定する設定手段と、ある照射条件の設定でレーザ光を出射した際の前記温度センサからの温度検知情報と前記冷却手段の駆動情報とを記憶する記憶手段と、レーザ出射の際に前記記憶手段に記憶された温度検知情報と前記設定手段により設定された条件とに基づいて、前記記憶手段に記憶された前記駆動情報を補正し、該補正した駆動情報により前記冷却手段の駆動を制御する冷却制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る光凝固用レーザ治療装置の外観略図である。
１はレーザ治療装置本体であり、治療レーザ光源が収納されている。２はコントロール部であり、レーザ照射条件を設定入力するための各種スイッチや表示部が設けられている。４はレーザ照射のトリガ信号を発信するためのフットスイッチである。６はスリットランプであり、患者眼を観察するための照明ユニット及び双眼の顕微鏡ユニットを持ち、レーザ光を患者眼に照射する照射光学系が取付けられている。５は本体１からスリットランプ６に備えられる照射光学系にレーザ光を導光するための光ファイバである。
【０００７】
図２は、装置の光学系及び要部構成を説明する図である。
（光学系）　１０は治療レーザ光源としての固体レーザ発振器であり、内部の光軸Ｌ１の光路には１０６４ｎｍの発振線を持つＮｄ：ＹＡＧロッド１１、全反射ミラー１４ａ、出力ミラー１５が配置され、出力ミラー１５で光軸Ｌ１と同軸にされる光軸Ｌ２の光路にはレンズ１６、ＫＴＰ等の非線形結晶１３、全反射ミラー１４ｂが配置されている。１２は固体レーザを励起する中心波長８０８ｎｍのレーザ光を出射する励起用半導体レーザ光源ユニットである。
励起用半導体レーザ光源ユニット１２の光学系及び概略構成を図３に示す。レーザダイオード３１はベース３２に取付けられている。レーザダイオード３１は、アレイ型のものが好適に用いられる。レーザダイオード３１からの励起用レーザ光は、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１１に向けて出射される。また、レーザダイオード３１からＮｄ：ＹＡＧロッド１１とは反対側に向かうレーザ光は、出力を検知するフォトダイオード３３にて受光される。
【０００８】
固体レーザ発振器１０の出力ミラー１５は１０６４ｎｍの光を全反射し、５３２ｎｍの光を透過する性質を持つ。出力ミラー１５を介して全反射ミラー１４ａ，１４ｂの間で往復して増幅される１０６４ｎｍの光は、非線形結晶１３を通過する際にその一部が５３２ｎｍに変換される。これにより、出力ミラー１５から５３２ｎｍのレーザ光が出射する。
治療レーザ光を出射する光軸Ｌ２上にはビームスプリッタ１７、ダイクロイックミラー２１が配置されている。ビームスプリッタ１７は出力ミラー１５を通過した治療レーザ光の大部分を通過し、一部を反射する特性を持つ。反射された治療レーザ光は出力を検出する受光センサ１９へ向かう。
２０は安全シャッタであり、フットスイッチ４が踏まれ、治療レーザ光の照射を行う指令がなされたときは、シャッタ駆動部５１の駆動により光路から離脱してレーザ光の通過を可能にし、また、異常時発生等の場合に光路に挿入されてレーザ光を遮断する。
【０００９】
ダイクロイックミラー２１は、レーザ発振器１０より出射された治療用レーザ光を反射し、半導体レーザ等のエイミング光源２２から出射された赤色可視光を透過する特性を持つ。エイミング光源２２による出射光束は、レンズ２３を通過しダイクロイックミラー２１によって治療用レーザ光と同軸にされる。ダイクロイックミラー２１によって同軸にされた治療用レーザ光とエイミング光は、集光レンズ２４によって光ファイバ５の入射端面５ａに集光されて光ファイバ５内に入射する。光ファイバ５の出射端面５ｂより出射した治療用レーザ光は、スリットランプ６側に設けられた照射光学系を構成するコリメータレンズ２５、フォーカシングレンズ２６及びミラー２７を介し、コンタクトレンズ２８より患者眼Ｅの眼底に照射される。
【００１０】
（制御系）　受光センサ１９の出力信号は制御部５０に入力され、制御部５０は入力された信号に基づきレーザ発振器１０から出射した治療レーザ光の出力状態を検知する。
また、図３に示すように、励起用半導体レーザ光源ユニット１２のベース３２内部には温度センサ３４が設けられている。温度センサ３４はレーザダイオード３１の温度を制御部５０に知らせる。ベース３２はアルミ等の熱伝導部材からなる。ベース３２には、レーザダイオード３１の温度を一定に保つため冷却、加熱用のペルチェ素子３５が付けられ、その駆動は制御部５０によって制御されている。ペルチェ素子３５の片側がベース３２に取付けられ、ベース３２との反対側の面が放熱用のヒートシンク３６に取付けられている。ペルチェ素子３５に流す電流の向きを切換えることによって、レーザダイオード３１の冷却、加熱が切替えられる様に制御されている。
【００１１】
励起用半導体レーザ光源ユニット１２の電源部５２は制御部５０に接続されている。電源部５２の電圧を制御部５０が制御することにより、レーザダイオード３１の出力をコントロールし、レーザ発振器１０から出射されるレーザ出力を制御する。３７は電流センサであり、レーザダイオード３１に流れる電流を検知し、制御部５０に知らせる。
制御部５０には、その他に、コントロール部２、フットスイッチ４、エイミング光源２２、シャッタ駆動部５１が接続されている。
【００１２】
以上のような構成の装置において、その動作を説明する。レーザ発振器１０を駆動していないときは、制御部５０は温度センサ３４からの温度の情報を得て、レーザダイオード３１の温度が一定の温度（予め設定された目標温度）になる様に、ペルチェ素子３５を駆動する。術者は、コントロール部２に配置されたスイッチを操作して、レーザ出力、レーザ光の照射時間及び休止時間、等のレーザ照射条件を設定する。例えば、０．２秒照射、０．４秒休止という様なパルス動作を繰り返すように設定する。その後、術者は、スリットランプ６を用いて患者眼を観察しながら、エイミング光源２２からのエイミング光の照準を患部に合せ、フットスイッチ４を押してレーザ発振器１０から治療レーザ光を出射させる。
【００１３】
レーザ発振器１０から出射されたレーザ光の一部はビームスプリッタ１７で反射して受光センサ１９に受光される。制御部５０はこの受光センサ１９の出力に基づき、コントロール部２で設定されたレーザ出力となるようにレーザ発振器１０の駆動を調整する。ビームスプリッタ１７を通過したレーザ光は、ダイクロイックミラー２１、集光レンズ２４を介して光ファイバ５の入射端面５ａに集光し、光ファイバ５により導光される。光ファイバ出射端面５ｂから出射したレーザ光は、照射光学系を経て患者眼患部に照射される。
【００１４】
ここで、温度センサ３４がレーザダイオード３１の直近に配置されてないため、実際のレーザダイオード３１からの発熱による温度上昇と温度センサ３４で検知する温度に時間的な応答遅れが生じてしまう。このため、温度センサ３４の検知情報を得た後のペルチェ素子３５の駆動では、その駆動に追従遅れが生じ、レーザダイオード３１の温度がずれることになる。結果として、レーザダイオード３１の発振波長が変動し、レーザ発振器１０の駆動が安定しなくなる。特に、０．２秒照射、０．４秒休止という様に、繰返し周期の短いパルス動作を繰り返す照射条件を設定した場合には、ペルチェ素子３５による冷却が追従できず、レーレーザダイオード３１の温度がダイナミックに変動し易い。図４は、温度センサ３４の温度検知情報を得てからペルチェ素子３５の駆動を制御する、従来の方法を示した図である。図４において、Ｓ０はフットスイッチ４からのトリガ信号を示し、Ｓ１はレーザダイオード３１の駆動信号を示し、Ｓ２は温度センサ３４からの検知信号を示す。Ｓ３はペルチェ素子３５の駆動信号を示し、温度センサ３４の検知信号とは逆の波形信号となる。なお、各信号は模式的に示している。
【００１５】
本装置によるペルチェ素子３５の駆動制御の方法を説明する。制御部５０は、安定して固体レーザ光源を駆動するため、まず、以下の様にペルチェ素子３５で冷却すべき熱量Ｑを演算する。
制御部５０は、電源部５２がレーザダイオード３１に印加する電圧Ｖ、電流センサ３７で検知されるレーザダイオード３１に流れる電流Ｉから、レーザダイオード３１に加えた仕事率（単位時間あたりのエネルギ）ＰをＰ＝Ｖ×Ｉで求める。また、出力を検知するフォトダイオード３３にて受光された光量からレーザダイオード３１で出力されたレーザ出力Ｌを求める。両者の差を冷却すべき単位時間あたりの熱量Ｑとし、単位時間あたりの熱量ＱをＱ＝Ｐ−Ｌで求める。この冷却すべき単位時間あたりの熱量Ｑの情報を基に、ペルチェ素子３５を駆動する。
【００１６】
図５は、ペルチェ素子３５の駆動制御の方法を示した図である。図４と同じく、Ｓ０はフットスイッチ４からのトリガ信号、Ｓ１はレーザダイオード３１の駆動信号をそれぞれ示す。Ｓ４は熱量Ｑを基にしたペルチェ素子３５の駆動信号を示す。レーザダイオード３１の駆動信号Ｓ１に同期させてペルチェ素子３５を駆動させるので、すなわち、発熱とほぼ同時に冷却が開始するので、追従遅れを減少させ、レーザダイオード３１の温度変動を初めから少なく抑えられる。パルス的にレーザ光を出力させる場合、各出力の立ち上がり時の安定動作に特に有効である。
【００１７】
図５において、Ｓ５は温度センサ３４からの検知信号を示す。温度センサ３４の検知信号Ｓ５が目標温度に対して違う挙動を示したときには、さらに、その結果を基に随時補正する。Ｓ６は信号Ｓ５の結果を補正した場合のペルチェ素子３５の駆動信号を示し、前述の信号Ｓ４に対して、信号Ｓ５の逆の波形信号を重畳させた形の駆動信号とされている。この駆動信号Ｓ６によりペルチェ素子３５を駆動することによって、さらにレーザダイオード３１の温度変動を少なくすることが可能になる。
【００１８】
また、ペルチェ素子３５の駆動制御は次のようにしても良い。あるレーザ照射条件の設定でレーザ光を出射した際に、ペルチェ素子３５を駆動信号Ｓ４により駆動し、温度センサ３４の検知信号Ｓ５が得られたならば、この時系列の駆動信号Ｓ４及び検知信号５をレーザ照射条件の設定と関連させてメモリ５３に記憶させる。そして、同じレーザ照射条件の設定のときには、検知信号Ｓ５の温度変化特性を基に、記憶した駆動信号Ｓ４を補正する。例えば、レーザダイオード３１の駆動開始から信号Ｓ５の温度変化に時間ｔの応答遅れがあった場合には、温度検知の信号Ｓ５とは逆の波形信号を時間ｔ分だけ早めて駆動信号Ｓ４に重畳させることより、補正後の駆動信号Ｓ７を決定する。以前の温度検知情報を利用して補正した信号Ｓ７を生成することにより、目標温度に対する偏差を少なくできる。さらに、これを繰り返することにより、レーザ装置が目標温度に近づけるべく学習し、レーザ光源の動作をより安定した状態で維持できるようになる。
【００１９】
なお、駆動信号Ｓ７の決定に際しては、以前と同じレーザ照射条件の設定の場合に限らず、メモリ５３に記憶した時系列の温度検知情報を得たときの条件設定に対する照射条件の変化から温度変化特性を予測し、目標温度に対する温度差を無くすべく、ペルチェ素子３５の駆動信号を補正することもできる。この場合、前述した駆動信号Ｓ４を利用する方が温度変動を安定させやすいが、駆動信号Ｓ４を使用しない方法でも良い。例えば、レーザ出射した際に図４の駆動信号Ｓ３と温度検知信号Ｓ２とが得られたならば、これをメモリ５３に記憶しておき、次のレーザ照射の際には、温度変化の遅れ時間ｔ分を考慮して温度変化特性を予測し、目標温度に対する温度差を無くすべく、駆動信号Ｓ３を補正した駆動信号を決定する。さらに、これを繰り返すことにより、使えば使うほど、レーザ光源の動作をより安定した状態で維持できるようになる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、励起用の半導体レーザ光源の温度変動を抑え、より安定した状態でレーザ装置を動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ治療装置の外観略図である。
【図２】装置の光学系と制御系の概略構成を説明する図である。
【図３】励起用半導体レーザ光源ユニットの概略構成と概略制御系を示す図である。
【図４】従来のペルチェ素子の駆動制御の方法を示した図である。
【図５】本発明のペルチェ素子の駆動制御の方法を示した図である。
【符号の説明】
１　レーザ治療装置本体
２　コントロール部
１０　レーザ発振器
１２　励起用半導体レーザ光源ユニット
３３　フォトダイオード
３４　温度センサ
３５　ペルチェ素子
３６　ヒートシンク
３７　電流センサ
５０　制御部
５２　電源部
５３　メモリ

Claims

半導体レーザ光源からの励起光により固体レーザ媒質を励起してレーザ光を出射するレーザ装置において、前記半導体レーザ光源が出射する励起光の出力を検知する出力検知手段と、前記半導体レーザ光源を冷却する冷却手段と、前記半導体レーザ光源を駆動する電源部と、該電源部により前記半導体レーザ光源に与えられるエネルギと前記出力検知手段により検知された励起光の出力とに基づいて、前記冷却手段の駆動情報を決定する冷却制御手段と、を備えることを特徴とするレーザ装置。
請求項１のレーザ装置において、さらに、前記半導体レーザ光源に熱伝導部材を介して配置された温度センサを備え、前記冷却制御手段は前記温度センサにより検知された温度と目標温度との差に基づいて前記冷却手段の駆動情報を随時補正することを特徴とするレーザ装置。
請求項１のレーザ装置は、前記半導体レーザ光源に流れる電流を検知する電流検知手段を備え、前記冷却制御手段は、前記電源部が前記半導体レーザ光源に印加する電圧値と前記電流検知手段により検知された電流値とから、前記半導体レーザ光源に与えられるエネルギを演算することを特徴とするレーザ装置。
請求項１のレーザ装置は、前記半導体レーザ光源に熱伝導部材を介して配置された温度センサと、レーザ光の出力及びレーザ光の照射時間と休止時間とを設定する設定手段と、ある照射条件の設定でレーザ光を出射したときの前記温度センサからの温度検知情報と前記冷却手段の駆動情報とを記憶する記憶手段を備え、前記冷却制御手段は、レーザ出射の際に前記記憶手段に記憶された温度検知情報と前記設定手段により設定された条件とに基づいて、前記記憶手段に記憶された前記駆動情報を補正し、該補正した駆動情報に基づいて前記冷却手段の駆動を制御することを特徴とするレーザ装置。
半導体レーザ光源からの励起光により固体レーザ媒質を励起してレーザ光を出射するレーザ装置において、前記半導体レーザ光源を冷却する冷却手段と、前記半導体レーザ光源に熱伝導部材を介して配置された温度センサと、レーザ光の出力及びレーザ光の照射時間と休止時間とを設定する設定手段と、ある照射条件の設定でレーザ光を出射した際の前記温度センサからの温度検知情報と前記冷却手段の駆動情報とを記憶する記憶手段と、レーザ出射の際に前記記憶手段に記憶された温度検知情報と前記設定手段により設定された条件とに基づいて、前記記憶手段に記憶された前記駆動情報を補正し、該補正した駆動情報により前記冷却手段の駆動を制御する冷却制御手段と、を備えることを特徴とするレーザ装置。