JP2006147732A

JP2006147732A - 医療用レーザ装置

Info

Publication number: JP2006147732A
Application number: JP2004333801A
Authority: JP
Inventors: Bhushan Sharma Lalit; ブシャンシャルマラリット
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】レーザ光源外に波長変換素子を配置した構成で、レーザ光源の出力を大きくすることなく、高効率で可視の治療レーザ光を得ることができる医療用レーザ装置を提供する。
【解決手段】医療用レーザ装置の赤外レーザ光を、その第二高調波である可視レーザ光に変換する光学系において、波長変換素子のダブルパス変換を行った後に基本波と第二高調波を分離し、残った基本波を別の波長変換素子でダブルパス変換を行い、その変換で発生した第二高調波を基本波と分離し、それぞれの第二高調波を合成することによって効率的な波長変換を実現する。

【選択図】図１

Description

本発明は、可視のレーザ光を患部に照射して治療を行う医療用レーザ装置に関する。

医療用レーザ装置のレーザ光源としては、基本波長1064ｎｍを発するＮｄ：ＹＡＧ結晶とKTP結晶等の非線形結晶とをレーザ光源の共振光学系内に配置し、波長532ｎｍ（緑色）、波長561ｎｍ（黄色）、又は波長659ｎｍ（赤色）の第二高調波のレーザ光を得る固体レーザを使用するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、光通信システムの分野では、ラマンファイバレーザの研究がなされている。ラマンファイバレーザでは、非線形媒体の光ファイバに高出力の励起光を入射することにより、誘導ラマン散乱効果によって入射光とは異なる長波長のレーザ光が取り出される（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−１５１７７４号公報特開平１１−５４８５３号公報

医療用として使用されている固体レーザ装置は、レーザ光源の共振光学系内に波長変換素子である非線形結晶を配置している構造のため、波長変換素子のダメージが大きく、長期間の使用に対する問題、構造が複雑になる問題、出力の安定性の問題等がある。また、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶では、実際に治療用に使用できる出力を持つ可視レーザ光の波長が限られている。眼の光凝固治療においては、波長590nm付近のオレンジ色レーザ光や、波長620nm付近の赤色レーザ光が好ましいが、これらの波長で実際に治療用に使用可能な出力を可能にした固体レーザ装置は現在のところ無い。

この問題に対して、オレンジ色や赤色のレーザ光を得るための基本波である赤外レーザ光を発するラマンファイバレーザをレーザ光源として使用し、レーザ光源外でMgO：PPLN結晶等の擬似位相整合結晶により波長変換する構成が考えられる。

しかし、レーザ光源外で基本波レーザ光を第二高調波に変換する構成は、波長変換効率の良いMgO：PPLN結晶（受容バンド幅0.38nm/cm、シングルパスの変換効率2.1％/Ｗ・cm）を使用したとしても、シングルパスでは大きな出力のレーザ光源が必要となる。また、出力を大きくしたラマンファイバレーザでは、その基本波レーザ光のバンド幅が広がり（例えば、光源パワーが１０Ｗでは1.0nm程のバンド幅となる）、波長変換素子での波長変換効率が逆に悪くなる。

本発明は、上記問題点を鑑み、レーザ光源外に波長変換素子を配置した構成で、レーザ光源の出力を大きくすることなく、高効率で可視の治療レーザ光を得ることができる医療用レーザ装置を提供することを技術課題とする。

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）直線偏光を持つ赤外レーザ光を発するレーザ光源と、レーザ光の偏光角度によって光路を分離する偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッタにより分離された第１光路に配置され、前記赤外レーザ光をその第二高調波に変換する第１波長変換素子と、前記偏光ビームスプリッタと第１波長変換素子との間の光路に配置され、通過するレーザ光の直線偏光を４５度回転させる第１偏光回転素子と、前記第１波長変換素子により変換された第二高調波及び残りの赤外レーザ光を反射させ、再び第１波長変換素子に戻す反射ミラーと、前記偏光ビームスプリッタと第１波長変換素子との間の光路に配置され、前記第１波長変換素子により変換された第二高調波と赤外レーザ光とを波長的に分離する第１波長分離部材と、前記第１波長分離部材及び前記第１偏光回転素子を介して戻された赤外レーザ光が前記偏光ビームスプリッタにより分離される第２光路に配置され、前記赤外レーザ光を第二高調波に変換する第２波長変換素子と、前記偏光ビームスプリッタと第２波長変換素子との間の光路に配置され、通過するレーザ光の直線偏光を４５度回転させる第２偏光回転素子と、前記第２波長変換素子により変換された第二高調波及び残りの赤外レーザ光を反射させ、再び第２波長変換素子に戻す反射ミラーと、前記偏光ビームスプリッタと第２波長変換素子との間の光路に配置され、前記第２波長変換素子により変換された第二高調波と赤外レーザ光とを波長的に分離する第２分離部材と、前記第１分離部材及び第２分離部材により分離された第二高調波を合成する合成光学系と、該合成された第二高調波のレーザ光を患部に導く導光光学系と、を備えることを特徴とする。
（２）(１)の医療用レーザ装置において、前記レーザ光源はラマンファイバレーザからなるレーザ光源であり、前記第１波長変換素子及び第２波長変換素子により波長580〜600nmのオレンジ色レーザ光又は610〜640nmの赤色レーザ光を得るための基本波レーザ光を出力することを特徴とする。
（３）(１)の合成光学系は、互いに直交する偏光方向を持つ第二高調波を透過と反射により合成する偏光合成部材であることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光源外に波長変換素子を配置した構成で、基本波レーザ光源の出力を大きくすることなく、高効率で治療に必要な出力を持つ可視の治療レーザ光を得ることができる。

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、本発明の実施形態に係る眼科用の医療用レーザ装置の概略構成図である。

図１において、１はレーザ光を出射するレーザ光源ユニットである。レーザ光源ユニット１は制御ユニット４７に接続されおり、制御ユニット４７はレーザ出力や凝固時間等の治療条件を設定するコントロールパネル４８に接続されている。

レーザ光源ユニット１は、ラマンファイバレーザが好適である。レーザ光源ユニット１の内部には、図２に示す様に、ラマンファイバ２０に励起光を入力する励起光源２５が配置されている。励起光源２５は、例えばＹｂドープのファイバレーザからなり、波長λ１＝1064nmの赤外光を発する。ラマンファイバ２０は、シリカ（SiO₂）をベースとしてコア部分に酸化チタン（TiO₂）がドープされた光ファイバ（非線形用光ファイバ）２１からなる。光ファイバ２１には誘導ラマン散乱により発生する波長λ２（＝1180nm）の第１次ストークス光を反射させる一対のファイバ・ブラッグ・グレーティング（以下、ＦＢＧ）２２ａ，２２ｂが形成されている。また、出射端側には波長λ１の光を反射し、波長λ２の光を透過するＦＢＧ２４が形成されている。なお、光ファイバ２１は通過するレーザ光の直線偏光を保持する偏光ファイバ（Polarization Maintaining Fiber）である。また、光ファイバ２１を偏光ファイバにする代わりに、レーザ光源ユニット１内又はその外にレーザ光を直線偏光に偏光する偏光素子を設ける場合も含む。

ここで、SiO₂をベースにTiO₂がドープされた光ファイバの誘導ラマン散乱特性を図３に示す。図３に示すように、SiO₂にTiO₂がドープされた光ファイバでは、約925cm^-1付近と約400cm^-1付近で誘導ラマン散乱のピークが現われている。従って、波長λ１（＝1064nm）の励起光によって925cm^-1のラマンシフトＰ１に対応する波長1180nmにピークを持った誘導ラマン散乱が得られる。この波長1180nmの光について、高反射率（９９％以上の反射）のＦＢＧ２２ａと一部透過（反射率８５％程）の出力用ＦＢＧ２２ｂで共振器を規定することにより、波長1180nmのレーザ光が取り出される。なお、ＦＢＧ２４により波長λ１の励起光は光ファイバ２１を折り返し伝搬し、光ファイバ２１の誘導ラマン散乱をより活性化させる。

このラマンファイバレーザからなるレーザ光源ユニット１を出射した中心波長1180nmを、その第二高調波に波長変換することにより、医療用として好適な（特に眼科治療の光凝固に好適な）オレンジ色のレーザ光が得られる。また、ラマンファイバ２０としては、図３の約400cm^-1付近における誘導ラマン散乱のピークを利用し、波長1180nmの１次ストークス光によって約400cm^-1のラマンシフトＰ２に対応する約1240nmにピークを持った誘導ラマン散乱が得られるように一対のＦＢＧを追加し、波長1240nmのレーザ光を得るように構成しても良い。この場合、波長1240nmのレーザ光をその第二高調波に波長変換することにより、波長620nmの赤色レーザ光を得ることができる。

レーザ光源ユニット１から出射したレーザ光の光路には、直線偏光のレーザ光を透過と反射により分離する偏光ビームスプリッタ２が配置されている。実施形態の偏光ビームスプリッタ２は、レーザ光源ユニット１からの直線偏光のレーザ光を透過する方向に偏光方向を持ち、これと直交する直線偏光のレーザ光を反射する。偏光ビームスプリッタ２を透過したレーザ光の第１光路Ｌ１には、波長1180nmの基本波レーザ光をその第二高調波（波長590nm）に変換する第１波長変換素子６が配置されている。偏光ビームスプリッタ２と第１波長変換素子６との間の光路には、レーザ光の直線偏光を４５°回転させる第１ファラデ回転素子３、波長1180nmの基本波レーザ光を透過し、その第二高調波を反射させる特性のダイクロイックミラー４、集光レンズ５が配置されている。さらに、第１波長変換素子６の後方には、波長1180nmの基本波レーザ光とその第二高調波を再び第１波長変換素子６に戻すための凹面の全反射ミラー７が配置される。レーザ光源ユニット１からの基本波レーザ光は、第１波長変換素子６によりその一部が第二高調波に変換される。第二高調波及び残りの基本波レーザ光は、ミラー７で反射されて再び同じ第１波長変換素子６に入射するように戻される。このミラー７により、第１波長変換素子６を基本波レーザ光が再び入射するダブルパス光学系が構成されている。

また、第１波長変換素子６から戻ってきた基本波レーザ光が、偏光ビームスプリッタ２により反射される第２光路Ｌ２には、第１波長変換素子６と同じく、波長1180nmの基本波レーザ光をその第二高調波（波長590nm）に変換する第２波長変換素子１１が配置されている。偏光ビームスプリッタ２から第２波長変換素子１１に至るまでの光路には、偏光方向を時計回りに４５°回転させるファラデ回転素子８、ダイクロイックミラー９、集光レンズ１０が配置され、第２波長変換素子１１の後方には凹面の全反射ミラー１２が配置されている。このミラー１２により第２波長変換素子１１に基本波レーザ光が再び入射する第２のダブルパス光学系が構成されている。

ダイクロイックミラー４及び９でそれぞれ反射される第二高調波の光路には、偏光ビームコンバイナ１３が配置されている。偏光ビームコンバイナ１３は、ダイクロイックミラー４で反射されてきた第二高調波の直線偏光を反射し、ダイクロイックミラー９で反射してきた第二高調波の直線偏光を透過する方向の偏光角度を持つ。また、ミラー１２と偏光ビームスプリッタ２との第２光路Ｌ２の延長上には、偏光ビームスプリッタ２を透過した基本波レーザ光を吸収するダンパ１４が配置されている。

第１波長変換素子６と第２波長変換素子１１は、それぞれが駆動ユニット４０，４１に接続され、レーザ光の直線偏光方向と同じ方向に動く。制御ユニット４７にはレーザ光源ユニット１、駆動ユニット４０、４１が接続されている。

上記の光学系において、第１波長変換素子６及び第２波長変換素子１１としては、好ましくは、MgO:PPLN結晶の非線形結晶（擬似位相整合結晶）を用いる。図４は本発明で使用する非線形結晶の構造を示す図である。図４の双方向の矢印はレーザ光の直線偏光の方向を表し、単方向の矢印は結晶方向を表す。結晶方向はレーザ光の直線偏光方向と同じ軸に沿うようにその向きを決定される。結晶の長さは、基本波である波長1180nm及び基本波のバンド幅等に基づいて、基本波を効率良くその第二高調波に変換できるように決定されている。また、第１波長変換素子６は片方の面が光路Ｌ１の光軸に対して直交し、もう片方の面は少し角度をもたさせる構成としている。第１波長変換素子６を図の矢印で示す方向、つまり光路Ｌ１の光軸と直交する方向に移動させることによって、レーザ光の主光線が通過する結晶の位置を変えることができる。これにより、ミラー７で反射されて戻ってくる第二高調波と、残りの基本波で変換される第二高調波と、の位相を整合させる。なお、位相の整合は、ミラー７を光路Ｌ１に対して前後に動かす方法も可能である。第２波長変換素子１１についても、第１波長変換素子６と同じ構成である。

図５は、ファラデ回転素子３，８による直線偏光の基本波レーザ光の回転状態を説明する図である。図５（ａ）はレーザ光源１から凹面ミラー７までの往路における直線偏光の回転状態を示し、図５（ｂ）はミラー７からの反射光の帰路における直線偏光の回転状態を示す。なお、以下で用いる偏光角度は紙面の図５上の縦方向（鉛直方向）＝０°とする。

まず、図５（ａ）において、レーザ光源１から出射された基本波レーザ光は−４５°の偏光方向を持つ。偏光ビームスプリッタ２は偏光角度―４５°のレーザ光を透過するように配置されている。偏光ビームスプリッタ２を透過した基本波レーザ光は、ファラデ回転素子３で時計回りに４５°回転され、偏光角度０°（鉛直方向）となる。偏光角度０°となったレーザ光は、ダイクロイックミラー４、集光レンズ５を経て、第１波長変換素子６でその一部が第二高調波に変換され、残りの基本波と共にミラー７に達する。

図５（ｂ）において、ミラー７で反射された残りの基本波レーザ光は、再び第１波長変換素子６を通過することにより、その一部がさらに第二高調波に変換される。第１波長変換素子６で波長変換された第二高調波は、ダイクロイックミラー４で偏光ビームコンバイナ１３へと反射される。一方、ダイクロイックミラー４を透過した基本波は、再びファラデ回転素子３に入射する。このとき、基本波はファラデ回転素子３によりさらに４５°回転され、結果的に初めの往路での偏光方向に対して直交した偏光方向となる。従って、戻り光である赤外の基本波レーザ光は、偏光ビームスプリッタ２で反射されて第２光路Ｌ２へと導かれる。

第２光路Ｌ２でのレーザ光の挙動は上述したものと基本的に同様である。すなわち、偏光ビームスプリッタ２で反射された基本波レーザ光は、ファラデ回転素子８で時計回りに４５°回転され、鉛直方向に対して直交した方向（偏光角度９０°）となる。この直線方向の基本波レーザ光は、ダイクロイックミラー９、集光レンズ１０を経て、第２波長変換素子１１でその一部が第二高調波に変換され、残りの基本波と共にミラー１２に達する。ミラー１２で反射された残りの基本波レーザ光は、再び第２波長変換素子１１を通過することにより、その一部がさらに第二高調波に変換される。第２波長変換素子１１で波長変換された第二高調波は、ダイクロイックミラー９で偏光ビームコンバイナ１３へと反射される。

ダイクロイックミラー９を透過した基本波レーザ光は、再びファラデ回転素子８を通過するときにさらに４５°回転され、偏光角度１３５°となる。この偏光角度を持つ基本波レーザ光は、偏光ビームスプリッタ２を通過し、ダンパ１４により吸収される。

図１において、偏光ビームコンバイナ１３はダイクロイックミラー４、９から入射される第二高調波のレーザ光を合成する。それぞれ入射されるレーザ光は互いに直交する偏光方向を持つため、偏光ビームコンバイナ１３ではダイクロイックミラー４からのレーザ光を反射し、ダイクロイックミラー９からのレーザ光を透過させることによって、２つのレーザ光を合成することができる。合成されたレーザ光（波長590nm）は集光レンズ１５により光ファイバ５０に入射される。

光ファイバ５０の出力端は、患者眼Ｅにレーザ光を導光するためのデリバリ光学系５２に接続されている。デリバリ光学系５２は、リレーレンズ５３、レーザ光のスポットサイズを変更するためのズームレンズ５４、対物レンズ５５、レーザ光を患者眼Ｅに向けて反射するミラー５６を備える。デリバリ光学系５２はスリットランプ６０が持つ双眼の顕微鏡部６１に取り付けられている。また、患者眼Ｅはスリットランプ６０が備える照明部６２により照明される。光凝固治療では、デリバリ光学系５２から出射したレーザ光は、コンタクトレンズ６５を介して患者眼Ｅの眼底に照射される。

以上のように、レーザ光源ユニット１を出射した基本波（波長1180nm）のレーザ光は波長変換素子によって、その第二高調波である波長590nmのオレンジ色レーザ光に波長変換される。基本波は２つある波長変換素子６，１１をそれぞれ２回ずつ通過することで、合計４回の波長変換を受けることにより、波長変換素子を通過しても変換されなかった基本波までもが効率的よく第二高調波へと波長変換される。この構成によって、レーザ光源ユニット１の出力を大きくしなくても、治療に必要な出力を持つ可視レーザ光を高効率で得ることができる。

例えば、レーザ光源ユニット１では、波長1180nmを出射するラマンファイバレーザを使用して、その出力が連続波3.5Ｗ、バンド幅が0.19nmであるとする。波長変換素子６，１１に使用するMgO:PPLN結晶は、通常、シングルパスでは2.1％／Ｗ・cmの変換効率を持ち、受容バンド幅が0.38nmである。１０ｍｍの長さのMgO:PPLN結晶でダブルパスを構成すると、その受容バンド幅は0.19ｎｍとなり、ラマンファイバレーザからのバンド幅0.19nmの基本波レーザ光（波長1180nm）に対して、結果的にダブルパスによる変換効率は４倍弱の8.4％となる。この場合、本発明の構成によれば、第１光路Ｌ１のMgO:PPLN結晶のダブルパス光学系で、出力1.03Ｗ（3.5×3.5×0.084Ｗ）の波長590nmのレーザ光が得られる。そして、第２光路Ｌ１のMgO:PPLN結晶のダブルパス光学系で、出力0.51Ｗ（2.47×2.47×0.084Ｗ）の波長590nmのレーザ光が得られる。損失が無いとすれば、両者のレーザ光を合成することにより結果的に1.54Ｗの波長590nmのレーザ光を得ることができる。

図６は、ラマンファイバレーザからレーザ出力が最大５Ｗまでを考えた場合に、そのバンド幅が0.19nmであるとして、上記の計算に従って最終的に得られる波長590nmのレーザ光の出力を計算したものである。実際には多少の損失があるが、少なくともラマンファイバレーザからのレーザ出力が５Ｗ以下でも、光凝固に必要な１Ｗ以上の出力を持つオレンジ色レーザ光を得ることが可能になる。

また、現在では、ダイオードレーザで治療に必要な１Ｗ以上のオレンジ色レーザ光は得られていないが、レーザ光源外（レーザ共振器外）で波長変換光学系を構成した場合でも、本発明に従えば、高出力のオレンジ色レーザ光を得ることができる。

光凝固治療装置では、凝固効率の点から波長580〜600nmのオレンジ色のレーザ光を使用することが好ましい。また、眼底に出血がある場合や、眼底に至る透光体に混濁がある場合には、波長610〜640nmの赤色レーザ光を使用することが好ましい。従って、これらの波長の可視レーザ光を得る場合、レーザ光源ユニット１として波長1160〜1280nmの基本波レーザ光を出力できるものを使用する。

上記の実施形態において、ファラデ回転素子３，８はレーザ光の直線偏光を時計回りに４５°回転させるものとしたが、これは４５°＋１８０°×n（nは整数）の場合を含むことはもちろんである。

また、偏光ビームスプリッタ２はレーザ光源ユニット１から出射した直線偏光のレーザ光を透過する偏光角度を持つものとしたが、これは逆に反射させる偏光角度とし、その反射方向に第１光路Ｌ１を設ける構成でも良い。この場合、第１光路の基本波の戻り光は、偏光ビームスプリッタ２を透過して第２光路Ｌ２へと導かれる。

また、本実施形態では各波長変換素子６，１１で波長変換された第二高調波のレーザ光の合成光学系として偏光ビームコンバイナ１３を用いたが、これに限るものではない。ダイクロイックミラー４，９からのレーザ光を合成用の集光レンズへと導き、この集光レンズにより両者のレーザ光を光ファイバ５０へと導光することによって合成してもよい。あるいは、ダイクロイックミラー４からのレーザ光を第１の光ファイバへ入射させると共に、ダイクロイックミラー９からのレーザ光を第２の光ファイバに入射させ、この２つの光ファイバの出射端を束ねて出射するレーザ光を集光レンズで光ファイバ５０へと入射させることで合成する方法もある。

また、上記の実施形態ではレーザ光源ユニット１から出力されたレーザ光を、その外部の光路に配置された個々の光学素子で波長変換するものとしたが、光導波路タイプの光学系で、一部又は全てをファイバ系で構成すると、装置構成がコンパクトになり、アライメントも問題も軽減されるので、さらに都合がよい。

眼科医療用レーザ装置の構成を示す図である。レーザ光源ユニットの内部構造を示す図である。本発明で使用するラマンファイバの誘導ラマン散乱特性を示す図である。本発明で使用する非線形結晶の構造を示す図である。ファラデ回転素子による直線偏光の基本波レーザ光の回転状態を説明する図である。波長590nmレーザ光の出力計算値を示す図である。

符号の説明

１レーザ光源ユニット
２偏光ビームスプリッタ
３第１ファラデ回転素子
４、９ダイクロイックミラー
６第１波長変換素子
８第２ファラデ回転素子
１１第２波長変換素子
１３偏光ビームコンバイナ
４７制御ユニット
５２デリバリ光学系
６０スリットランプ

Claims

直線偏光を持つ赤外レーザ光を発するレーザ光源と、レーザ光の偏光角度によって光路を分離する偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッタにより分離された第１光路に配置され、前記赤外レーザ光をその第二高調波に変換する第１波長変換素子と、前記偏光ビームスプリッタと第１波長変換素子との間の光路に配置され、通過するレーザ光の直線偏光を４５度回転させる第１偏光回転素子と、前記第１波長変換素子により変換された第二高調波及び残りの赤外レーザ光を反射させ、再び第１波長変換素子に戻す反射ミラーと、前記偏光ビームスプリッタと第１波長変換素子との間の光路に配置され、前記第１波長変換素子により変換された第二高調波と赤外レーザ光とを波長的に分離する第１波長分離部材と、前記第１波長分離部材及び前記第１偏光回転素子を介して戻された赤外レーザ光が前記偏光ビームスプリッタにより分離される第２光路に配置され、前記赤外レーザ光を第二高調波に変換する第２波長変換素子と、前記偏光ビームスプリッタと第２波長変換素子との間の光路に配置され、通過するレーザ光の直線偏光を４５度回転させる第２偏光回転素子と、前記第２波長変換素子により変換された第二高調波及び残りの赤外レーザ光を反射させ、再び第２波長変換素子に戻す反射ミラーと、前記偏光ビームスプリッタと第２波長変換素子との間の光路に配置され、前記第２波長変換素子により変換された第二高調波と赤外レーザ光とを波長的に分離する第２分離部材と、前記第１分離部材及び第２分離部材により分離された第二高調波を合成する合成光学系と、該合成された第二高調波のレーザ光を患部に導く導光光学系と、を備えることを特徴とする医療用レーザ装置。
請求項１の医療用レーザ装置において、前記レーザ光源はラマンファイバレーザからなるレーザ光源であり、前記第１波長変換素子及び第２波長変換素子により波長580〜600nmのオレンジ色レーザ光又は610〜640nmの赤色レーザ光を得るための基本波レーザ光を出力することを特徴とする医療用レーザ装置。
請求項１の合成光学系は、互いに直交する偏光方向を持つ第二高調波を透過と反射により合成する偏光合成部材であることを特徴とする医療用レーザ装置。