JP2022153671A - Wavelength conversion member, wavelength conversion device and laser irradiation device using the same, and manufacturing method of wavelength conversion member - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、波長変換部材、それを用いた波長変換装置およびレーザー照射装置、ならびに、波長変換部材の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a wavelength conversion member, a wavelength conversion device and a laser irradiation device using the same, and a method for manufacturing a wavelength conversion member.
従来より、医療分野等において、レーザーが利用されている。レーザーは、その種類によって固体レーザー、気体レーザー、液体レーザー、半導体レーザーに大別される。そのうち、特に、歯科医療用分野で主に用いられているレーザーは、炭酸ガスレーザー、Nd:YAGレーザー、半導体レーザー、Er:YAGレーザーである。これらのレーザー光は、射出されると各種光ファイバーを用いて口腔内に伝送され、口腔内の狭い局所にファイバー先端を挿入し、先端から射出されるレーザー光を患部に照射して治療が行われる。 2. Description of the Related Art Conventionally, lasers have been used in the medical field and the like. Lasers are roughly classified into solid lasers, gas lasers, liquid lasers, and semiconductor lasers according to their types. Among them, lasers mainly used in the dental medical field are carbon dioxide lasers, Nd:YAG lasers, semiconductor lasers, and Er:YAG lasers. When these laser beams are emitted, they are transmitted into the oral cavity using various optical fibers, the tip of the fiber is inserted into a narrow local area in the oral cavity, and the laser beam emitted from the tip is irradiated to the affected area for treatment. .
ここで、歯科医療用レーザーとして、半導体レーザーは、その波長は800~1000nmの波長範囲で用いられ、概ね組織透過型であり、赤血球への熱吸収性が高く、低出力下では、細胞の活性化が期待できる軟組織用のレーザーとして利用される。
Er:YAGレーザーは、中心波長が2940nmであり、水を使用する軟組織硬組織両用のレーザーである。また、Er:YAGレーザーは、水分子を励起して水蒸気爆発させる力が強く、その能力を用いて、歯や歯肉、骨などを削るレーザーとして利用される。
Here, as a laser for dental medical treatment, a semiconductor laser is used in a wavelength range of 800 to 1000 nm, is generally tissue-transmissive, has high heat absorption into red blood cells, and under low power, it is difficult to activate cells. It is used as a laser for soft tissue, which is expected to be improved.
The Er:YAG laser has a central wavelength of 2940 nm and is a water-based soft and hard tissue laser. Moreover, the Er:YAG laser has a strong power to excite water molecules and cause a vapor explosion, and is used as a laser for cutting teeth, gums, bones, etc., using this ability.
このようなレーザー照射装置を用いた歯科治療として、半導体レーザーを用いた歯科用治療装置が開示されている(特許文献1を参照)。この歯科用治療装置は、波長範囲400nm~410nmに含まれる中心波長を有する第1の光を出力する第1の光源と、第1の光源から出力された第1の光を入射端に入力して導波し、導波された第1の光を出射端から出力し、出力された第1の光を被治療領域に照射する光導波体と、受光部により受光された光を解析する解析手段と、解析手段により解析された解析結果を表示する表示手段と、を備えている。 As a dental treatment using such a laser irradiation apparatus, a dental treatment apparatus using a semiconductor laser has been disclosed (see Patent Document 1). This dental treatment apparatus includes a first light source that outputs first light having a central wavelength within a wavelength range of 400 nm to 410 nm, and inputs the first light output from the first light source to an incident end. An optical waveguide body that guides the guided first light from the output end and irradiates the output first light to the treatment area, and the analysis that analyzes the light received by the light receiving part means, and display means for displaying analysis results analyzed by the analysis means.
また、医療処置用および歯科処置用として、固体レーザーとして、Er:YAGレーザーによる照射装置を開示している(特許文献2を参照)。この照射装置は、その細長い本体部が2本以上の光ファイバーを包含して出力源から標的表面に向けて電磁エネルギーを伝達するように構成される。照射装置の遠位端は単体構造体として例示され、近位端は多数の近位端部材を備えるように例示される。照射装置は、エネルギーを遠位端に向けて伝達する2本以上の光ファイバーと、装置の遠位端から近位端に向けてエネルギーを伝達する少なくとも1本の光ファイバーとを備えている。 Further, for medical treatment and dental treatment, an irradiation apparatus using an Er:YAG laser as a solid laser is disclosed (see Patent Document 2). The illumination device is configured such that its elongated body contains two or more optical fibers to transmit electromagnetic energy from the power source towards the target surface. The distal end of the irradiator is illustrated as a unitary structure and the proximal end is illustrated as comprising multiple proximal end members. The irradiation device includes two or more optical fibers that transmit energy toward the distal end and at least one optical fiber that transmits energy from the distal end to the proximal end of the device.
しかしながら、特許文献1に記載の歯科用治療装置では、所定の波長範囲に中心波長を有する波長に対応した治療しか行うことができず、その治療の用途が限られていた。 However, the dental treatment apparatus described in Patent Document 1 can only perform treatment corresponding to wavelengths having a center wavelength in a predetermined wavelength range, and the application of the treatment is limited.
また、2940nmの波長域のEr:YAGレーザーや、高出力の半導体レーザーを用いようとすれば、装置の構成が大型化するため、在宅治療を望むような高齢者や肢体不自由の人たちに対して、レーザー照射装置による治療は困難であった。また、Er:YAGレーザーは、そのレーザーの性質上、水分が必ず必要であった。 Also, if an Er:YAG laser with a wavelength range of 2940 nm or a high-output semiconductor laser is used, the configuration of the device will increase in size. In contrast, treatment with a laser irradiation device was difficult. Moreover, the Er:YAG laser necessarily requires water due to its laser properties.
それゆえに、この発明の主たる目的は、低出力のレーザー照射装置であっても、容易に、そのレーザー照射装置から出力されるレーザー光の波長とは異なる波長に波長変換し増幅うる波長変換部材を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, a main object of the present invention is to provide a wavelength conversion member that can easily convert a wavelength into a wavelength different from the wavelength of a laser beam output from a laser irradiation device even if it is a low-output laser irradiation device and amplify the wavelength. to provide.
この発明にかかる波長変換部材は、レーザー光を導波するためのコア部と、コア部の周囲に配置されるクラッドとを含むレーザー導光体を備え、レーザー導光体の一方端側におけるコア部に対して、液体シリカと波長変換物質との混合物がドープ添加されることで、波長変換物質が拡散して配置されるとともに、拡散して配置された波長変換物質の一部が液体シリカ中のSiと結合して配置されたラマン波長変換部を有し、レーザー導光体の他方端側からレーザー光がコア部を介してラマン波長変換部に入射したとき、ラマン波長変換部において、波長変換物質に基づくラマン効果が生ずることで、レーザー光の波長とは異なる波長に波長変換されたラマン散乱光によるレーザー光が出力されることを特徴とする、波長変換部材である。
また、この発明にかかる波長変換部材は、レーザー光を導波するためのコア部と、コア部の周囲に配置されるクラッドとを含むレーザー導光体と、Siを含む基材と、基材にドープ添加される波長変換物質とにより構成されるラマン波長変換部と、を備え、ラマン波長変換部は、レーザー導光体の一方端側におけるコア部に融合され、かつ、波長変換物質が拡散して配置されるとともに、拡散して配置された波長変換物質の一部がSiと結合して配置され、レーザー導光体の他方端側からレーザー光がコア部を介してラマン波長変換部に入射したとき、ラマン波長変換部において、波長変換物質に基づくラマン効果が生ずることで、レーザー光の波長とは異なる波長に波長変換されたラマン散乱光によるレーザー光が出力されることを特徴とする、波長変換部材である。
さらに、この波長変換部材は、レーザー光が導波するためのSiを含む基材と、基材にドープ添加される波長変換物質とを含み、基材にラマン効果を生ずるための波長変換物質が予めドープ添加されることで、波長変換物質が拡散して配置されるとともに、拡散して配置された波長変換物質の一部がSiと結合して配置されたラマン波長変換部と、ラマン波長変換部の周囲に配置されるクラッドと、を備え、ラマン波長変換部の他方端側からレーザー光がラマン波長変換部に入射したとき、ラマン波長変換部において、波長変換物質に基づくラマン効果が生ずることで、レーザー光の波長とは異なる波長に波長変換されたラマン散乱光によるレーザー光が出力されることを特徴とする、波長変換部材である。
この波長変換部材は、波長変換物質の平均粒径が、1nm以上500nm以下であることが好ましい。
また、この波長変換部材は、波長変換物質のドープ率が、0.1%以上30%以下であることが好ましい。
さらに、この波長変換部材は、ラマン散乱光により出力されたレーザー光の波長が、3000nm以上であることが好ましい。
また、この波長変換部材は、コア部の材料は石英であることが好ましい。
さらに、この波長変換部材は、ドープ添加される波長変換物質が、チタン酸化物であることが好ましい。
さらにまた、この波長変換部材は、チタン酸化物は、酸化チタン(TiO2)であることが好ましい。
また、この波長変換部材は、酸化チタンは、アナターゼ型であることが好ましい。
A wavelength conversion member according to the present invention includes a laser light guide including a core portion for guiding laser light and a clad disposed around the core portion. The portion is doped with a mixture of liquid silica and a wavelength-converting substance so that the wavelength-converting substance is diffusely arranged, and part of the diffusely arranged wavelength-converting substance is in the liquid silica. When laser light from the other end side of the laser light guide enters the Raman wavelength conversion part through the core part, the Raman wavelength conversion part converts the wavelength The wavelength conversion member is characterized in that laser light is output as Raman scattering light that has been wavelength-converted to a wavelength different from the wavelength of laser light due to the Raman effect based on the conversion substance.
Further, a wavelength conversion member according to the present invention includes a laser light guide including a core portion for guiding laser light and a clad disposed around the core portion, a base material containing Si, and a base material a Raman wavelength converting portion composed of a wavelength converting substance doped into the laser light guide, the Raman wavelength converting portion being fused to the core portion at one end of the laser light guide, and the wavelength converting substance being diffused; A portion of the wavelength conversion material that is diffused and arranged is bonded to Si, and laser light from the other end side of the laser light guide passes through the core portion and enters the Raman wavelength conversion portion. When incident, a Raman effect based on the wavelength conversion substance is generated in the Raman wavelength conversion part, and laser light is output as Raman scattered light whose wavelength is converted to a wavelength different from the wavelength of the laser light. , is a wavelength conversion member.
Further, this wavelength conversion member includes a base material containing Si for guiding laser light and a wavelength conversion material doped into the base material, and the wavelength conversion material for generating a Raman effect in the base material. a Raman wavelength conversion part in which a wavelength conversion material is diffused and arranged by being doped in advance, and a part of the wavelength conversion substance diffused and arranged is bonded to Si; and a Raman wavelength conversion. and a cladding arranged around the portion, wherein when laser light enters the Raman wavelength converting portion from the other end side of the Raman wavelength converting portion, a Raman effect based on the wavelength converting substance occurs in the Raman wavelength converting portion. The wavelength conversion member is characterized in that it outputs laser light by Raman scattered light that has been wavelength-converted to a wavelength different from the wavelength of the laser light.
In this wavelength conversion member, the wavelength conversion substance preferably has an average particle size of 1 nm or more and 500 nm or less.
Moreover, it is preferable that the doping rate of the wavelength conversion material in this wavelength conversion member is 0.1% or more and 30% or less.
Furthermore, it is preferable that the wavelength of the laser light output by the Raman scattered light from this wavelength conversion member is 3000 nm or more.
Moreover, it is preferable that the material of the core portion of this wavelength conversion member is quartz.
Further, in this wavelength conversion member, the doped wavelength conversion material is preferably titanium oxide.
Furthermore, in this wavelength conversion member, the titanium oxide is preferably titanium oxide (TiO 2 ).
Moreover, it is preferable that the titanium oxide of this wavelength conversion member is an anatase type.
この発明にかかる波長変換装置は、本発明にかかる波長変換部材と、レーザー導光体の他方端側に配置され、ラマン効果により生ずるレーザー光の波長とは異なる波長に波長変換された波長のレーザー光を反射する機能を有するハーフミラー部と、を備える波長変換装置である。 The wavelength conversion device according to the present invention comprises a wavelength conversion member according to the present invention, and a laser having a wavelength converted to a wavelength different from the wavelength of the laser light generated by the Raman effect, which is arranged on the other end side of the laser light guide. and a half mirror portion having a function of reflecting light.
この発明にかかるレーザー照射装置は、本発明にかかる波長変換装置と、波長変換部材にレーザー光を射出する半導体レーザーと、半導体レーザーを制御することにより、ラマン波長変換部における温度を制御するための制御部と、を備える、レーザー照射装置である。 A laser irradiation device according to the present invention comprises a wavelength conversion device according to the present invention, a semiconductor laser for emitting laser light to a wavelength conversion member, and a device for controlling the temperature in a Raman wavelength conversion section by controlling the semiconductor laser. and a controller.
この発明にかかる波長変換部材の製造方法は、液体シリカと波長変換物質との混合物を準備する工程と、準備された混合物に、レーザー光を導波するためのコア部が露出されたレーザー導光体の一方端側を浸漬して、レーザー導光体の露出されたコア部に混合物を塗布する工程と、混合物を塗布した部分にレーザー光を照射して、レーザー導光体の一方端側において露出されたコア部の表面に塗布された混合物を溶融したうえで、混合物内で波長変換物質を拡散させる工程と、さらに、混合物を塗布した部分にレーザー光を照射して、波長変換物質の溶融温度より小さい温度により混合物を塗布した部分を加熱することで、波長変換物質が拡散された状態で固定して、ラマン波長変換部を形成する工程と、を含む、波長変換部材の製造方法である。
また、この発明にかかる波長変換部材の製造方法は、波長変換物質がSiを含む基材に予めドープ添加されたラマン波長変換部を準備する工程と、ラマン波長変換部を、レーザー光を導波するためのコア部を含むレーザー導光体の一方端側に接合する工程と、レーザー光を照射して、ラマン波長変換部とレーザー導光体との接合部を溶融して、ラマン波長変換部に含まれる波長変換物質をレーザー導光体のコア部に拡散させる工程と、を含む、波長変換部材の製造方法である。
さらに、この発明にかかる波長変換部材の製造方法は、Siを含む石英(SiO2)などの高い屈折率を有する材料により形成された紐状の基材を準備する工程と、基材に対して波長変換物質をドープ添加してラマン波長変換部を形成する工程と、形成されたラマン波長変換部の周囲に配置されるクラッドを形成する工程と、を含む、波長変換部材の製造方法である。
A method for manufacturing a wavelength conversion member according to the present invention includes the steps of preparing a mixture of liquid silica and a wavelength conversion material, and introducing a laser beam into the prepared mixture with a core portion for guiding a laser beam exposed. a step of applying the mixture to the exposed core portion of the laser light guide by immersing one end side of the body; A step of melting the mixture applied to the exposed surface of the core portion and diffusing the wavelength conversion substance in the mixture, and further irradiating the portion coated with the mixture with a laser beam to melt the wavelength conversion substance A method of manufacturing a wavelength conversion member, comprising: heating a portion coated with the mixture at a temperature lower than the temperature to fix the wavelength conversion substance in a diffused state to form a Raman wavelength conversion portion. .
Further, a method for manufacturing a wavelength conversion member according to the present invention includes a step of preparing a Raman wavelength conversion part in which a wavelength conversion substance is pre-doped in a base material containing Si; a step of bonding to one end side of a laser light guide including a core portion for performing a laser beam irradiation to melt the joint portion between the Raman wavelength conversion portion and the laser light guide to form a Raman wavelength conversion portion; and a step of diffusing a wavelength converting substance contained in a into a core portion of a laser light guide.
Further, the method for manufacturing a wavelength conversion member according to the present invention includes the steps of preparing a string-shaped base material made of a material having a high refractive index, such as quartz containing Si (SiO 2 ); A method of manufacturing a wavelength converting member, comprising the steps of doping a wavelength converting material to form a Raman wavelength converting portion, and forming a clad disposed around the formed Raman wavelength converting portion.
この発明によれば、低出力のレーザー照射装置であっても、容易に、そのレーザー照射装置から出力されるレーザー光の波長とは異なる波長に波長変換し増幅うる波長変換部材を提供することができる。また、この波長変換部材を備えた波長変換装置を提供することができる。また、この波長変換装置を備えたレーザー照射装置を提供することができる。さらに、上記の波長変換部材を製造することができる、波長変換部材の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a wavelength conversion member that can easily convert a wavelength into a wavelength different from the wavelength of a laser beam output from a laser irradiation device even if it is a low-output laser irradiation device, and amplify the wavelength. can. Also, a wavelength conversion device having this wavelength conversion member can be provided. Also, a laser irradiation device equipped with this wavelength conversion device can be provided. Furthermore, it is possible to provide a method for manufacturing a wavelength conversion member, which can manufacture the above wavelength conversion member.
この発明の上述の目的、その他の目的、特徴及び利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための形態の説明から一層明らかとなろう。 The above object, other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following description of the mode for carrying out the invention, which is made with reference to the drawings.
A.第1の実施の形態
本発明の第1の実施の形態に係る波長変換部材30を用いた波長変換装置20を有するレーザー照射装置10を、図面を参照しながら説明する。
A. First Embodiment A
図1は、この発明の第1の実施の形態にかかるレーザー照射装置の外観図である。図2は、この発明の第1の実施の形態にかかるレーザー照射装置の構成を示した図解図である。図3は、この発明の第1の実施の形態にかかる波長変換部材の拡大断面図である。 FIG. 1 is an external view of a laser irradiation device according to a first embodiment of the invention. FIG. 2 is an illustrative view showing the configuration of the laser irradiation device according to the first embodiment of the invention. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the wavelength conversion member according to the first embodiment of the invention.
第1の実施の形態にかかるレーザー照射装置10は、図1または図2に示すように、波長変換装置20と本体部50とを含む。そして、波長変換装置20は、図1または図2に示すように、波長変換部材30とハーフミラー部40と、を含む。
A
1.波長変換部材
第1の実施の形態にかかる波長変換部材30は、レーザー導光体32を含む。レーザー導光体32は、レーザー光を導波するためのコア部36と、コア部36の周囲に配置されるクラッド37と、クラッド37の周囲に配置される被覆層38とを備える。コア部36、クラッド37、および、被覆層38は、同心状に配置される。
1. Wavelength Conversion Member The
コア部36は、たとえば、Siを含む石英(SiO2)などの高い屈折率を有する材料で形成されている。クラッド37は、石英または樹脂などの材料により形成され、コア部36よりも0.2~1%程度低い屈折率を有する。被覆層38は、フッ素樹脂などの樹脂材料により形成され、コア部36およびクラッド37を保護する。本実施の形態では、コア部36が石英(SiO2)から形成されており、クラッド37が硬質の樹脂材で形成され、被覆層38がフッ素を含む樹脂材料により形成されている。なお、本実施の形態にかかるコア部36は、中空に形成されていてもよい。
The
また、図3に示すように、レーザー導光体32の一方端側においてコア部36は露出しており、その部分には、ラマン波長変換部34がコア部36を覆うように配置される。ラマン波長変換部34には、液体シリカと波長変換物質との混合物がドープ添加されることで、波長変換物質が拡散して配置されている。すなわち、ラマン波長変換部32は、シリカ系ガラスにより形成され、その内部に、波長変換物質が拡散されて配置されている。また、拡散して配置された波長変換物質の一部が、液体シリカ中のSi結晶の構造として結合して配置される。そして、ラマン波長変換部32は、その先端部分が略半球状に形成される。なお、ラマン波長変換部32は、その先端部分がレンズ状に形成されてもよい。
Further, as shown in FIG. 3, the
レーザー導光体32の他方端側からレーザー光がコア部36を介してラマン波長変換部34に入射したとき、ラマン波長変換部34において、波長変換物質に基づくラマン効果が生ずることで、レーザー光の波長とは異なる波長に波長変換されたラマン散乱光によるレーザー光(ストークス光)が出力される。なお、レイリー散乱により、より短周波数の紫外線域に生じる範囲は、混合物に用いられる液体シリカ側に青色の光吸収性の材料を混合して、有害波長を減衰除去するようにしてもよい。これにより、出力されるレーザー光の安全性を確保することができる。
ここで、たとえば、近赤外線域に波長を広げるためには、エレクトロンのストーク現象を他の原子と影響することで励起レベルまで拡大することが理論として知られている。すなわち、ストーク現象は、2原子間の電子の相互作用により起こる現象であることから、関連原子間において、電子価と軌道上の電子数の安定までの不足数の関連により、ラマンシフトやレイリーシフトの相互影響がフォトンの共鳴現象から、ストーク現象の大きさに反映できると推定される(なお、より詳細な理論的な内容は、非特許文献1ないし非特許文献6を参照のこと。)。
また、波長変換物質は、液体シリカ中に含まれるSi結晶の構造として結合することで、ストーク現象が励起ストーク域まで拡大されるかが、波長域の拡大に影響を与える。
When laser light enters the Raman
Here, for example, in order to expand the wavelength to the near-infrared region, it is theoretically known that the Stoke phenomenon of electrons should be expanded to the excitation level by affecting other atoms. In other words, the Stoke phenomenon is a phenomenon that occurs due to the interaction of electrons between two atoms. can be reflected in the magnitude of the Stoke phenomenon from the photon resonance phenomenon (for more detailed theoretical content, see Non-Patent Documents 1 to 6).
Further, whether or not the wavelength conversion substance is combined as a structure of the Si crystal contained in the liquid silica to expand the Stoke phenomenon to the excitation Stoke region affects the expansion of the wavelength region.
波長変換物質は、たとえば、チタン酸化物やEr、Yb、Nd、Bi、Pr等の希土類レーザー媒質などを使用することができる。使用される波長変換物質によって、ラマン効果により生ずる各物質特有の波長に変換されたラマン散乱光によるレーザー光(ストークス光)としての出力を選択することができる。波長変化物質の粒径は、ラマン効果を効率的に生じさせるための表面積を確保するためにナノレベルとし、小さければ小さいほど好ましい。特に、この波長変換部材30を歯科治療に使用する場合は、水の吸収波長を考慮して、波長変換物質が選択される。
As the wavelength conversion material, for example, titanium oxide or rare earth laser media such as Er, Yb, Nd, Bi and Pr can be used. Depending on the wavelength conversion substance used, it is possible to select the output as laser light (Stokes light) by Raman scattered light converted into a wavelength peculiar to each substance caused by the Raman effect. The particle size of the wavelength-changing substance is set to nano-level in order to secure a surface area for efficiently generating the Raman effect, and the smaller the particle size, the better. In particular, when this
なお、チタン酸化物としては、酸化チタン(TiO2)が好ましい。波長変換物質としての酸化チタンの平均粒径は、ナノレベルとした、1nm以上500nm以下であることが好ましい。これにより、ラマン効果を効率的に生じさせるための表面積を確保することができる。波長変換物質としてのチタン酸化物のドープ率は、0.1%以上30%以下であることが好ましい。これにより、さらに、ラマン効果を効率的に生じさせることができる。たとえば、波長変換物質として酸化チタン(TiO2)を用いた場合、ラマン散乱光により出力されたレーザー光の波長は、3000nm以上とすることができる。このように、特に、酸化チタンにより赤外域へ波長がシフトすることは、非特許文献7や非特許文献8において、その理論が開示されている。 Titanium oxide (TiO 2 ) is preferable as the titanium oxide. It is preferable that the average particle diameter of titanium oxide as a wavelength conversion substance is 1 nm or more and 500 nm or less, which is defined as nano-level. Thereby, it is possible to secure a surface area for efficiently generating the Raman effect. The doping rate of titanium oxide as a wavelength conversion substance is preferably 0.1% or more and 30% or less. Thereby, the Raman effect can be caused more efficiently. For example, when titanium oxide (TiO 2 ) is used as the wavelength conversion material, the wavelength of laser light output by Raman scattered light can be 3000 nm or more. Non-patent document 7 and non-patent document 8 disclose the theory that titanium oxide causes the wavelength to shift to the infrared region.
また、酸化チタン(TiO2)としては、ルチル型やアナターゼ型の結晶構造の酸化チタンを用いることができる。なお、波長変換物質としては、アナターゼ型の結晶構造の酸化チタンを用いることが好ましい。酸化チタンがアナターゼ型であると、付随する原子構造が900℃以上でルチル型に修飾される際にストーク現象を起す周囲の原子として有意である可能性を有する。また、アナターゼ型にはさらに、Homo、Rumoの2種類あるが、効率的にストーク現象を起すには、Rumo型が好ましい。 As titanium oxide (TiO 2 ), titanium oxide having a rutile-type or anatase-type crystal structure can be used. As the wavelength conversion substance, it is preferable to use titanium oxide having an anatase-type crystal structure. When titanium oxide is an anatase type, it has a significant possibility as a surrounding atom that causes a stalk phenomenon when the accompanying atomic structure is modified to a rutile type at 900° C. or higher. Further, there are two types of anatase type, Homo and Rumo, and the Rumo type is preferable for efficiently causing the Stoke phenomenon.
本実施の形態のレーザー導光体32は、コア部36の直径が約200μm~320μm、クラッド37の外径が約250μm~370μm、レーザー導光体32に配置されるラマン波長変換部34の部分の直径は、約220μm~340μm、レーザー導光体32の軸方向に沿った長さは約200μm程度である。
In the
図3に示す波長変換部材30は、レーザー導光体32の一方端側においてコア部36は露出しており、その部分には、ラマン波長変換部34がコア部36を覆うように配置され、ラマン波長変換部34には、液体シリカと波長変換物質との混合物がドープ添加されることで、波長変換物質が拡散して配置されている。すなわち、ラマン波長変換部32は、シリカ系ガラスにより形成され、その内部に、波長変換物質が拡散されて配置されている。また、拡散して配置された波長変換物質の一部が、液体シリカ中のSi結晶の構造として結合して配置される。これにより、低出力のレーザー照射装置であっても、容易に、そのレーザー照射装置から出力されるレーザー光の波長とは異なる波長に波長変換し増幅うる波長変換部材を提供することができる。
In the
また、図3に示す波長変換部材30は、波長変換物質としての酸化チタンの平均粒径が、ナノレベルとした、1nm以上500nm以下であると、ラマン効果を効率的に生じさせるために必要な表面積を確保することができる。
Further, in the
さらに、図3に示す波長変換部材30は、波長変換物質としてのチタン酸化物のドープ率が、0.1%以上30%以下であると、さらに、ラマン効果を効率的に生じさせることができる。
Furthermore, the
また、図3に示す波長変換部材30は、ラマン散乱光により出力されたレーザー光の波長が3000nm以上であると、水の吸収波長であることから、歯科治療に対して好適に使用することができる。
Further, in the
さらにまた、図3に示す波長変換部材30は、コア部36は、たとえば、Siを含む石英(SiO2)などの高い屈折率を有する材料で形成されていると、効率よく、波長変換部材30に対してレーザー光を導波させることができる。
Furthermore, in the
また、図3に示す波長変換部材30は、波長変換物質としてチタン酸化物を使用し、さらに酸化チタン(TiO2)を使用すると、歯科治療に必要な波長域のラマン効果により生ずるラマン散乱光によるレーザー光(ストークス光)を得ることができる。
さらに、この酸化チタンがアナターゼ型であると、付随する原子構造が、900℃以上でルチル型に修飾される際にストーク現象を起す周囲の原子として有意であるので、より好適に使用することができる。
The
Furthermore, when this titanium oxide is an anatase type, the accompanying atomic structure is significant as a surrounding atom that causes a stalk phenomenon when it is modified to a rutile type at 900 ° C. or higher, so it can be used more preferably. can.
次に、第1の本実施の形態の変形例にかかる波長変換部材130について説明する。
図4は、この発明の第1の実施の形態の変形例にかかる波長変換部材の拡大断面図である。なお、図4に示す波長変換部材130において、図3に示した波長変換部材30と同一の部分には、同一の符号を付し、その説明を省略する。
Next, the
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a wavelength conversion member according to a modification of the first embodiment of the invention. In the
変形例にかかる波長変換部材130は、レーザー導光体132と、ラマン波長変換部134とを含む。レーザー導光体132は、レーザー光を導波するためのコア部36と、そのコア部36の周囲に配置されるクラッドとを含む。
A
ラマン波長変換部134は、レーザー導光体132の一方端側において露出されるコア部36に融合されて接合される。ラマン波長変換部134は、基材134aと、その基材134aにドープ添加するための波長変換物質とを含む。基材134aには、Siが含まれる。好ましくは、基材134aは石英により形成される。基材134aに波長変換物質がドープ添加されることで、基材134aの内部に波長変換物質が拡散して配置されるとともに、拡散して配置された波長変換物質の一部が基材134aに含まれるSiと結合して配置される。
ここで、ラマン波長変換部134で使用される波長変換物質は、ラマン波長変換部34と同様の物質を使用することができる。
The Raman
Here, as the wavelength conversion material used in the Raman
レーザー導光体132の他方端側からレーザー光がコア部36を介してラマン波長変換部134に入射したとき、ラマン波長変換部134において、波長変換物質に基づくラマン効果が生ずることで、レーザー光の波長とは異なる波長に波長変換されたラマン散乱光によるレーザー光(ストークス光)が出力される。
When laser light enters the Raman
図4に示す波長変換部材130は、図3に示す波長変換部材30と同様の効果を奏するとともに、次の効果も奏する。
すなわち、別途、ラマン波長変換部134を製造したうえで、レーザー導光体132に接合する構造であるので、ラマン波長変換部134を量産することで、容易に波長変換部材130を得ることができることから、波長変換部材130の量産に好適な構造である。
The
That is, since the Raman
2.波長変換装置
波長変換装置20は、図1および図2に示すように、波長変換部材30と、ハーフミラー部40とを備える。
2. Wavelength Conversion Device The
第1の実施の形態にかかるハーフミラー部40は、波長変換部材30の他方端側に配置され、ラマン効果により生ずるレーザー光の波長とは異なる波長に波長変換された波長のレーザー光を反射する機能を有する。すなわち、たとえば、波長変換物質が酸化チタンである場合、ラマン効果により生ずる波長を3000nmとしたとき、3000nmの波長を反射するためのハーフミラー部40が配置される。
The
なお、波長変換装置20は、波長変換部材130と、ハーフミラー部40とにより構成することもできる。
Note that the
図1または図2に示す波長変換装置20では、ラマン効果により生ずるレーザー光の波長とは異なる波長に波長変換された波長のレーザー光を反射する機能を有するハーフミラー部40を備えるので、波長変換部材30において、ラマン効果が生ずることで、レーザー光の波長とは異なる波長に波長変換さえたラマン散乱光によるレーザー光(ストークス光)をより効率的に増幅させることができる。
The
3.レーザー照射装置
第1の実施の形態にかかるレーザー照射装置10は、波長変換装置20と、本体部50とを含む。
3. Laser Irradiation Device A
本体部50は、図2に示すように、波長変換部材30にレーザー光を射出するレーザー発生部52と、レーザー発生部52を制御することにより、波長変換部材30、130のラマン波長変換部34における温度を制御するための制御部54とを備える。また、必要に応じて、レーザー照射装置10の本体部50は、制御部54を介してレーザー照射装置10を操作するための操作部56と、レーザー照射装置10の制御の状態を表示するための表示部58を備える。なお、波長変換部材30としては、波長変換部材130を使用することができる。
As shown in FIG. 2, the
レーザー光発生部52は、制御部54の制御によりレーザー光を射出し、そのレーザー光を波長変換装置20に出力する。
The
レーザー光発生部52としては、半導体レーザー、固体レーザー装置、ファイバーレーザー装置などを採用することができる。本実施形態にかかるレーザー光発生部52は、半導体レーザーにより構成される。この半導体レーザーは、電源回路(図示せず)から入力された電流に応じて所定の波長のレーザー光を出力する。また、レーザー光発生部52は、連続的にレーザー光を出すCWモードや、一定の設定時間、一定の出力強度でレーザー発振(オンタイム)と発振停止(オフタイム)を間欠的に繰り返すリピートモードなど、各種レーザー出力モードを備えていてもよい。上記リピートモードは、例えば半導体レーザーへ所定電流値の駆動電流を間欠的に入力することで、実現することができる。
A semiconductor laser, a solid-state laser device, a fiber laser device, or the like can be used as the
本実施の形態では、レーザー光発生部52は、波長980nm、出力4~30W程度、CWモード、リピートモードでの出力が可能である。レーザー光発生部52は、リピートモードで、オンタイム1ms~1000ms、オフタイム1ms~1000msの間で調整可能にレーザーを出力することができる。
In this embodiment, the
制御部54は、レーザー照射装置10の各構成要素を統括的に制御する。また、制御部54は、記憶部(図示せず)に記憶したプログラムを実行することにより、レーザー照射装置10に本実施の形態にかかる機能を実現する。
The
また、制御部54は、レーザー光発生部52からレーザー光を射出させる処理を行うように制御する処理を行う。
Further, the
操作部56は、操作ボタンなどを備え、ユーザの操作に応じた信号を制御部54に出力する。制御部54は、操作部56の操作に応じて、レーザー光発生部52から射出するレーザー光の出力の大きさ、オンタイム、オフタイムなどを制御する処理を行う。
The
表示部58は、制御部54の制御により、本発明に係る動作に応じた表示を行う。
記憶部(図示せず)は、RAMやROMなどの半導体記憶装置、ハードディスクドライブなどの磁気ディスク記憶装置等を有し、本発明に係る機能を実現させるためのプログラム、データなどを記憶する。また、記憶部は、制御部54によるプログラム実行の作業エリアとしても用いられる。
The
A storage unit (not shown) has a semiconductor storage device such as a RAM or ROM, a magnetic disk storage device such as a hard disk drive, or the like, and stores programs, data, and the like for realizing functions according to the present invention. The storage section is also used as a work area for program execution by the
次に、本発明の実施の形態にかかるレーザー照射装置10の動作を説明する。
Next, operation of the
操作部56が操作された場合、制御部54は、レーザー光発生部52からレーザー光を射出する処理を行う。レーザー光が波長変換部材30、130の他方端部側に入射すると、そのレーザー導光体32におけるコア部36を伝搬し、波長変換部材30、130のラマン波長変換部34に拡散された波長変換物質に作用することによりラマン効果が生ずることで、入射されたレーザー光の波長とは異なる波長に波長変換されたラマン散乱光によるレーザー光(ストークス光)が出力される。
When the
このとき、レーザー光はパルス状に射出され、ラマン波長変換部34における温度が高温となるが、波長変換部材30、130が融解しないように、制御部54により制御される。
At this time, the laser light is emitted in the form of pulses, and the temperature in the Raman
図1および図2に示すレーザー照射装置10では、本発明にかかる波長変換装置20を備えるので、低出力のレーザー照射装置であっても、容易に、そのレーザー発生部52から出力されるレーザー光の波長とは異なる波長に波長変換し増幅うるレーザー照射装置10を提供することができる。
Since the
4.波長変換部材の製造方法
次に、第1の実施の形態にかかる波長変換部材30の製造方法について説明する。
図5は、第1の実施の形態にかかる波長変換部材の製造方法のフロー図である。
4. Method for Manufacturing Wavelength Conversion Member Next, a method for manufacturing the
FIG. 5 is a flowchart of a method for manufacturing a wavelength conversion member according to the first embodiment;
まず、ステップS100において、レーザー導光体32が準備される。レーザー導光体32は、レーザー光を導波するためのコア部36と、コア部36の周囲に配置されるクラッド37と、クラッド37の周囲に配置される被覆層38とを備える。
First, in step S100, the
次に、レーザー導光体32の先端から数センチ程度のクラッド37および被覆層38が、治具などで除去され、コア部36が露出される。
Next, the
続いて、ステップS102において、液体ガラスと波長変換物質との混合物が準備され、混合物がその露出されたコア部36にドープ添加される。
Subsequently, in step S102, a mixture of liquid glass and wavelength converting material is prepared, and the exposed
液体ガラスと波長変換物質との混合割合は、たとえば、質量%でそれぞれ50質量%とされる。波長変換物質は、たとえば、チタン酸化物やEr、Yb、Nd、Bi、Pr等の希土類レーザー媒質などを使用することができる。すなわち、波長変換物質は、ラマン効果により生ずる物質特有の波長に変換されたラマン散乱光によるレーザー光(ストークス光)としての出力を選択することができる。波長変化物質の粒径は、ラマン効果を効率的に生じさせるための表面積を確保するためにナノレベルとし、小さければ小さいほど好ましい。特に、この波長変換部材を歯科治療に使用する場合は、水の吸収波長を考慮して、波長変換物質が選択される。
なお、チタン酸化物としては、酸化チタン(TiO2)が好ましい。酸化チタンの平均粒径は、ナノレベルとした、1nm以上500nm以下であることが好ましい。これにより、ラマン効果を効率的に生じさせるための表面積を確保することができる。
The mixing ratio of the liquid glass and the wavelength conversion substance is, for example, 50% by mass, respectively. As the wavelength conversion material, for example, titanium oxide or rare earth laser media such as Er, Yb, Nd, Bi and Pr can be used. That is, the wavelength-converting substance can select output as laser light (Stokes light) by Raman scattered light converted to a wavelength peculiar to the substance caused by the Raman effect. The particle size of the wavelength-changing substance is set to nano-level in order to secure a surface area for efficiently generating the Raman effect, and the smaller the particle size, the better. In particular, when this wavelength conversion member is used for dental treatment, the wavelength conversion substance is selected in consideration of the absorption wavelength of water.
Titanium oxide (TiO 2 ) is preferable as the titanium oxide. The average particle diameter of titanium oxide is preferably 1 nm or more and 500 nm or less on the nano level. Thereby, it is possible to secure a surface area for efficiently generating the Raman effect.
そして、ステップS104において、準備された混合物に、レーザー光を導波するためのコア部36が露出されたレーザー導光体32の一方端側を浸漬して、レーザー導光体32の露出されたコア部36に混合物が塗布される。
Then, in step S104, the one end side of the
次に、ステップS106において、混合物を塗布した部分にレーザー光を照射して、レーザー導光体32の一方端側において露出されたコア部36の表面に塗布された混合物を溶融したうえで、混合物内で波長変換物質が拡散される。このとき、レーザー発生部52より照射される出力は、コア部36の直径や液体シリカの品質(不純物等の有無)に応じて調整される。たとえば、レーザー発生部52として半導体レーザーを使用し、レーザー光の波長980nm、25Wの出力とした場合、コア部36の直径が200μmに対しては250msで照射され、コア部36の直径が320μmに対しては450msで照射され、コア部36の直径が400μmに対しては600ms~950msで照射される。
Next, in step S106, the portion coated with the mixture is irradiated with a laser beam to melt the mixture coated on the surface of the
たとえば、波長変換物質の溶融温度によりリミッターが設定される。波長変換物質が酸化チタンの場合、溶融温度手前の1700℃に制限される。レーザー導光体32が、クオーツファイバーあるいはガラスファイバーの場合は、1440℃前後で溶融する。
コア部36の直径が大きいほど、溶融するのに時間がかかるため長く調整される。また、時間の調整は、波長変換物質のドープ率により変化する。波長変換物質としてのチタン酸化物のドープ率は、0.1%以上30%以下であることが好ましい。
For example, the limiter is set by the melting temperature of the wavelength converting material. When the wavelength conversion material is titanium oxide, the temperature is limited to 1700° C., which is before the melting temperature. If the
The larger the diameter of the
よって、この工程における波長変換物質の拡散に要する温度は、波長変換物質の溶融温度よりも略低い温度で、短時間にコア部36の粘度を下げ、表面張力にてレンズ状あるいは略半球体に近い状態に形成されることで、波長変換物質は、混合物を塗布した部分において拡散される。そして、これにより、励起フォトンの拡散に影響され、増幅される。この増幅は、総合フォトン量が、入射されるレーザーフォトン量を上回る現象である。また、出力されるレーザー光(ストークス光)は、そのレーザー光の出力される先端部分の加工形態がレンズ状あるいは略半球体とすることで、レーザー出力の方向性と拡散とをコントロールすることができる。 Therefore, the temperature required for the diffusion of the wavelength conversion substance in this step is substantially lower than the melting temperature of the wavelength conversion substance. By being formed in a similar state, the wavelength converting substance is diffused in the portion where the mixture is applied. And thereby, it is affected by the diffusion of the excitation photon and amplified. This amplification is a phenomenon in which the total amount of photons exceeds the amount of incident laser photons. In addition, the output laser light (Stokes light) can control the directionality and diffusion of the laser output by making the processed form of the tip portion from which the laser light is output into a lens shape or a substantially hemispherical shape. can.
一方、溶融時間が長いと、波長変換物質、たとえば、酸化チタンにルチル結晶が集積し、ストーク現象を起す条件を下げてしまう。
酸化チタン(TiO2)がアナターゼ型であると、付随する原子構造が900℃以上でルチル型に修飾される際にストーク現象を起す周囲の原子として有意である可能性を有する。なお、アナターゼ型にはさらにHomo、Rumoの2種類あるが、効率的にストーク現象を起すには、Rumo型が好ましい。
On the other hand, if the melting time is too long, rutile crystals will accumulate in the wavelength converting material such as titanium oxide, lowering the conditions for causing the Stoke phenomenon.
When titanium oxide (TiO 2 ) is an anatase type, it has a significant possibility as a surrounding atom that causes a stalk phenomenon when the accompanying atomic structure is modified to a rutile type at 900° C. or higher. Although there are two types of anatase type, Homo and Rumo, the Rumo type is preferable for efficiently causing the Stoke phenomenon.
そして、ステップS108において、さらに、混合物を塗布した部分にレーザー光を照射して、波長変換物質の溶融温度により小さい温度で、混合物を塗布した部分を加熱することで、波長変換物質が拡散された状態で固定することにより、ラマン波長変換部34が形成される。このときも、レーザー発生部52より照射される出力は、コア部36の直径や液体シリカの品質(不純物等の有無)に応じて調整される。そして、たとえば、レーザー発生部52として半導体レーザーを使用し、レーザー光の波長980nm、25Wの出力とした場合、1s~3sで照射される。
Then, in step S108, the portion coated with the mixture is further irradiated with a laser beam to heat the portion coated with the mixture at a temperature lower than the melting temperature of the wavelength conversion substance, thereby diffusing the wavelength conversion substance. The Raman
このようにして、ステップS110において、図3に示す波長変換部材30が製造される。
Thus, in step S110, the
第1の実施の形態にかかる波長変換部材の製造方法によれば、液体シリカと波長変換物質との混合物を準備する工程と、準備された混合物に、レーザー光を導波するためのコア部36が露出されたレーザー導光体32の一方端側を浸漬して、レーザー導光体32の露出されたコア部36に混合物を塗布する工程と、混合物を塗布した部分にレーザー光を照射して、レーザー導光体32の一方端側において露出されたコア部36の表面に塗布された混合物を溶融したうえで、混合物内で波長変換物質を拡散させる工程と、さらに、混合物を塗布した部分にレーザー光を照射して、波長変換物質の溶融温度より小さい温度により混合物を塗布した部分を加熱することで、波長変換物質が拡散された状態で固定して、ラマン波長変換部34を形成する工程と、を含むことにより、図3に示す波長変換部材30の製造方法を提供することができる。
According to the method for manufacturing a wavelength conversion member according to the first embodiment, the step of preparing a mixture of liquid silica and a wavelength conversion substance, and the
続いて、第1の実施の形態の変形例にかかる波長変換部材130の製造方法について、説明する。
図6は、第1の実施の形態の変形例にかかる波長変換部材130の製造方法のフロー図である。
Next, a method for manufacturing the
FIG. 6 is a flowchart of a method for manufacturing the
まず、ステップS200において、所定の長さのレーザー導光体132が準備される。たとえば、レーザー導光体132の長さは、10~20cm、あるいは1~2m程度の長さで準備される。レーザー導光体132は、レーザー光を導波するためのコア部36と、コア部36の周囲に配置されるクラッド37と、クラッド37の周囲に配置される被覆層38とを備える。レーザー導光体132の一方端側において、先端から数センチ程度のクラッド37および被覆層38が、治具などで除去され、コア部36が露出される。
First, in step S200, a
そして、ステップS202において、波長変換物質が予めドープ添加されたラマン波長変換部134が準備される。ここで準備されるラマン波長変換部134は、直径が200μm~400μmであり、長さが1~30mm、あるいは、10~20cmm程度の小片として準備される。このようなラマン波長変換部134の小片は、既知の方法により基材134aに対して波長変換物質をドープ添加することにより、量産することができる。ここで、たとえば、基材134aに対する波長変換物質のドープ方法としては、VAD(Vapor Phase Axial Deposition)法やMCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)法を用いることができる。
Then, in step S202, the Raman
次に、ステップS204において、準備されたラマン波長変換部134を、レーザー光を導波するためのコア部36を含むレーザー導光体132の一方端側に接合される。この接合は、たとえば、接合面を加熱したうえで、溶着することにより行われる。
Next, in step S204, the prepared Raman
続いて、ステップS206において、ラマン波長変換部134が溶着されたレーザー導光体132の他方端側からレーザー光がコア部36を介してラマン波長変換部134に入射されて、レーザー導光体132とラマン波長変換部134との接合部が溶融される。そうすると、ラマン波長変換部134に含まれる波長変換物質が、レーザー導光体132のコア部36に拡散されることで、レーザー導光体132とラマン波長変換部134とがより強固に接合される。
Subsequently, in step S206, a laser beam is incident on the Raman
このようにして、ステップS208において、図4に示す波長変換部材130が製造される。
Thus, in step S208, the
第1の実施の形態の変形例にかかる波長変換部材の製造方法によれば、波長変換物質がSiを含む基材134aに予めドープ添加されたラマン波長変換部134を準備する工程と、ラマン波長変換部134を、レーザー光を導波するためのコア部36を含むレーザー導光体32の一方端側に接合する工程と、レーザー光を照射して、ラマン波長変換部134とレーザー導光体32との接合部を溶融して、ラマン波長変換部134に含まれる波長変換物質をレーザー導光体32のコア部36に拡散させる工程と、を含むので、図4に示す波長変換部材130の製造方法を提供することができる。
According to the method for manufacturing a wavelength conversion member according to the modification of the first embodiment, the step of preparing the Raman
B.第2の実施の形態
続いて、本発明の第2の実施の形態に係る波長変換部材を用いた波長変換装置520を有するレーザー照射装置510を、図面を参照しながら説明する。
B. Second Embodiment Subsequently, a
図7は、この発明の第2の実施の形態にかかるレーザー照射装置の構成を示した図解図である。 FIG. 7 is an illustrative view showing the configuration of a laser irradiation device according to a second embodiment of the invention.
第2の実施の形態にかかるレーザー照射装置510は、図7に示すように、波長変換装置520と本体部550とを含む。そして、波長変化装置520は、図7に示すように、波長変換部材530とハーフミラー部540と、を含む。また、波長変換部材530により導光されたレーザー光を治療部位に照射するために術者が保持するハンドピース560を含む。
A
1.波長変換部材
第2の実施の形態にかかる波長変換部材530は、ラマン効果を生ずるための波長変換物質が予めドープ添加されたラマン波長変換部534と、ラマン波長変換部534の周囲に配置されるクラッド537と、クラッド537の周囲に配置される被覆層538とを備える。ラマン波長変換部534、クラッド537、および、被覆層538は、同心状に配置される。
1. Wavelength Conversion Member A
ラマン波長変換部534は、Siを含む石英(SiO2)などの高い屈折率を有する材料により形成された紐状の基材534aと、基材534aにドープ添加されるラマン効果を生ずるための波長変換物質とを含む。したがって、ラマン波長変換部534の基材534aには、波長変換物質が拡散して配置されるとともに、拡散して配置された波長変換物質の一部がSiと結合して配置される。基材534aに対する波長変換物質のドープ率は、0.1%以上3%以下である。クラッド537は、石英または樹脂などの材料により形成され、基材534aよりも0.2~1%程度低い屈折率を有する。被覆層538は、フッ素樹脂などの樹脂材料により形成され、ラマン波長変換部534およびクラッド537を保護する。本実施の形態では、ラマン波長変換部534が石英(SiO2)に対して波長変換物質がドープ添加されたものから形成されており、クラッド537が硬質の樹脂材で形成され、被覆層538がフッ素を含む樹脂材料により形成されている。
The Raman
レーザー照射装置510は、本体部550とハンドピース560とが遠隔に配置されているため、レーザー照射装置510に使用される波長変換部材534は比較的、長いものが使用される。この波長変換部材の534の長さは、たとえば、ハンドピース560による治療に支障をきたさない長さが確保されており、たとえば、1m以上である。
Since the
レーザー光がラマン波長変換部534の他方端側から入射したとき、ラマン波長変換部534において、波長変換物質に基づくラマン効果が生ずることで、レーザー光の波長とは異なる波長に波長変換されたラマン散乱光によるレーザー光(ストークス光)が出力される。
When the laser light enters from the other end side of the Raman
波長変換物質は、たとえば、チタン酸化物やEr、Yb、Nd、Bi、Pr等の希土類レーザー媒質などを使用することができる。すなわち、波長変換物質は、ラマン効果により生ずる各物質特有の波長に変換されたラマン散乱光によるレーザー光(ストークス光)としての出力を選択することができる。波長変化物質の粒径は、ラマン効果を効率的に生じさせるための表面積を確保するためにナノレベルとし、小さければ小さいほど好ましい。特に、この波長変換部材を歯科治療に使用する場合は、水の吸収波長を考慮して、波長変換物質が選択される。 As the wavelength conversion material, for example, titanium oxide or rare earth laser media such as Er, Yb, Nd, Bi and Pr can be used. That is, the wavelength conversion substance can select an output as laser light (Stokes light) by Raman scattered light converted into a wavelength specific to each substance caused by the Raman effect. The particle size of the wavelength-changing substance is set to nano-level in order to secure a surface area for efficiently generating the Raman effect, and the smaller the particle size, the better. In particular, when this wavelength conversion member is used for dental treatment, the wavelength conversion substance is selected in consideration of the absorption wavelength of water.
なお、チタン酸化物としては、酸化チタン(TiO2)が好ましい。波長変換物質としての酸化チタンの平均粒径は、ナノレベルとした、1nm以上500nm以下であることが好ましい。これにより、ラマン効果を効率的に生じさせるための表面積を確保することができる。波長変換物質としてのチタン酸化物のドープ率は、0.1%以上3%以下であることが好ましい。これにより、さらに、ラマン効果を効率的に生じさせることができる。波長変換物質として酸化チタン(TiO2)を用いた場合、図4に示すように、ラマン散乱光により出力されたレーザー光の波長は、3000nm以上である。 Titanium oxide (TiO 2 ) is preferable as the titanium oxide. It is preferable that the average particle diameter of titanium oxide as a wavelength conversion substance is 1 nm or more and 500 nm or less, which is defined as nano-level. Thereby, it is possible to secure a surface area for efficiently generating the Raman effect. The doping rate of titanium oxide as the wavelength conversion substance is preferably 0.1% or more and 3% or less. Thereby, the Raman effect can be caused more efficiently. When titanium oxide (TiO 2 ) is used as the wavelength conversion material, as shown in FIG. 4, the wavelength of laser light output by Raman scattered light is 3000 nm or more.
また、酸化チタン(TiO2)としては、ルチル型やアナターゼ型の結晶構造の酸化チタンを用いることができる。なお、波長変換物質としては、アナターゼ型の結晶構造の酸化チタンを用いることが好ましい。酸化チタンがアナターゼ型であると、付随する原子構造が900℃以上でルチル型に修飾される際にストーク現象を起す周囲の原子として有意である可能性を有する。また、アナターゼ型にはさらに、Homo、Rumoの2種類あるが、効率的にストーク現象を起すには、Rumo型が好ましい。 As titanium oxide (TiO 2 ), titanium oxide having a rutile-type or anatase-type crystal structure can be used. As the wavelength conversion substance, it is preferable to use titanium oxide having an anatase-type crystal structure. When titanium oxide is an anatase type, it has a significant possibility as a surrounding atom that causes a stalk phenomenon when the accompanying atomic structure is modified to a rutile type at 900° C. or higher. Further, there are two types of anatase type, Homo and Rumo, and the Rumo type is preferable for efficiently causing the Stoke phenomenon.
図7に示す波長変換部材530は、ラマン波長変換部534は、Siを含む石英(SiO2)などの高い屈折率を有する材料により形成された紐状の基材534aと、基材534aにドープ添加されるラマン効果を生ずるための波長変換物質とを含む。したがって、ラマン波長変換部534の基材534aには、波長変換物質が拡散して配置されるとともに、拡散して配置された波長変換物質の一部がSiと結合して配置される。これにより、これにより、低出力のレーザー照射装置であっても、容易に、そのレーザー照射装置から出力されるレーザー光の波長とは異なる波長に波長変換し増幅うる波長変換部材を提供することができる。
In the
図7に示す波長変換部材530は、図3に示す波長変換部材30と同様の効果を奏する。
The
2.波長変換装置
波長変換装置520は、図7に示すように、波長変換部材530と、ハーフミラー部540とを備える。
2. Wavelength Conversion Device The
第2の実施の形態にかかるハーフミラー部540、たとえば、波長変換部材530の他方端側であって、かつ、本体部550の内部に配置され、ラマン効果により生ずるレーザー光の波長とは異なる波長に波長変換された波長のレーザー光を反射する機能を有する。すなわち、たとえば、波長変換物質が酸化チタンである場合、ラマン効果により生ずる波長は、3000nmであるので、3000nmの波長を反射するためのハーフミラー部540が配置される。
The
3.レーザー照射装置
第2の実施の形態にかかるレーザー照射装置510は、波長変換装置520と、本体部550とを含む。
3. Laser Irradiation Device A
本体部550は、図7に示すように、波長変換部材530にレーザー光を射出するレーザー発生部552と、レーザー発生部552を制御することにより、波長変換部材530のラマン波長変換部534における温度を制御するための制御部554とを備える。また、必要に応じて、レーザー照射装置510の本体部550は、制御部554を介してレーザー照射装置510を操作するための操作部556と、レーザー照射装置510の制御の状態を表示するための表示部558を備える。
As shown in FIG. 7, the
レーザー光発生部552は、制御部554の制御によりレーザー光を射出し、そのレーザー光を波長変換装置520に出力する。
The laser
レーザー光発生部552としては、半導体レーザー、固体レーザー装置、ファイバーレーザー装置などを採用することができる。本実施形態にかかるレーザー光発生部552は、半導体レーザーにより構成される。この半導体レーザーは、電源回路(図示せず)から入力された電流に応じて所定の波長のレーザー光を出力する。また、レーザー光発生部552は、連続的にレーザー光を出すCWモードや、一定の設定時間、一定の出力強度でレーザー発振(オンタイム)と発振停止(オフタイム)を間欠的に繰り返すリピートモードなど、各種レーザー出力モードを備えていてもよい。上記リピートモードは、例えば半導体レーザーへ所定電流値の駆動電流を間欠的に入力することで、実現することができる。
A semiconductor laser, a solid-state laser device, a fiber laser device, or the like can be used as the
本実施の形態では、レーザー光発生部552は、波長980nm、出力4~30W程度、CWモード、リピートモードでの出力が可能である。レーザー光発生部552は、リピートモードで、オンタイム1ms~1000ms、オフタイム1ms~1000msの間で調整可能にレーザーを出力することができる。
In this embodiment, the
制御部554は、レーザー照射装置510の各構成要素を統括的に制御する。また、制御部554は、記憶部(図示せず)に記憶したプログラムを実行することにより、レーザー照射装置510に本実施の形態にかかる機能を実現する。
The
また、制御部554は、レーザー光発生部552からレーザー光を射出させる処理を行うように制御する処理を行う。
Further, the
操作部556は、フットスイッチ、操作ボタンなどを備え、ユーザの操作に応じた信号を制御部554に出力する。制御部554は、操作部556の操作に応じて、レーザー光発生部552から射出するレーザー光の出力の大きさ、オンタイム、オフタイムなどを制御する処理を行う。
The
表示部558は、制御部54の制御により、本発明に係る動作に応じた表示を行う。
記憶部(図示せず)は、RAMやROMなどの半導体記憶装置、ハードディスクドライブなどの磁気ディスク記憶装置等を有し、本発明に係る機能を実現させるためのプログラム、データなどを記憶する。また、記憶部は、制御部554によるプログラム実行の作業エリアとしても用いられる。
The
A storage unit (not shown) has a semiconductor storage device such as a RAM or ROM, a magnetic disk storage device such as a hard disk drive, or the like, and stores programs, data, and the like for realizing functions according to the present invention. The storage unit is also used as a work area for program execution by the
4.波長変換部材の製造方法
次に、第2の実施の形態にかかる波長変換部材の製造方法について、説明する。
図8は、この発明の第2の実施の形態にかかる波長変換部材の製造方法を説明するためのフロー図である。
4. Method for Manufacturing Wavelength Conversion Member Next, a method for manufacturing the wavelength conversion member according to the second embodiment will be described.
FIG. 8 is a flowchart for explaining the method of manufacturing the wavelength conversion member according to the second embodiment of the invention.
まず、ステップS300において、Siを含む石英(SiO2)などの高い屈折率を有する材料により形成された紐状の基材534aが準備される。 First, in step S300, a string-shaped base material 534a made of a material having a high refractive index such as quartz containing Si (SiO 2 ) is prepared.
次に、ステップS302において、基材534aに対して波長変換物質をドープ添加して、紐状のラマン波長変換部534が形成される。ここで、基材534aに対する波長変換物質のドープ方法としては、ロッドインチューブ法等を用いることができる。
Next, in step S302, the base material 534a is doped with a wavelength converting material to form the string-like Raman
続いて、ステップS304において、形成されたラマン波長変換部534の周囲に配置されるクラッド537が形成され、続いて、ステップ306において、クラッド537の周囲に被覆層538が形成される。
Subsequently, in step S304, a clad 537 is formed around the formed Raman
このようにして、ステップS308において、図7に示す波長変換部材530が製造される。
Thus, in step S308, the
本実施の形態にかかる波長変換部材の製造方法によれば、Siを含む石英(SiO2)などの高い屈折率を有する材料により形成された紐状の基材534aを準備する工程と、基材に対して波長変換物質をドープ添加してラマン波長変換部534を形成する工程と、形成されたラマン波長変換部534の周囲に配置されるクラッド537を形成する工程と、を含むので、図7に示す波長変換部材530の製造方法を提供することができる。
According to the method for manufacturing a wavelength conversion member according to the present embodiment, the step of preparing the string-shaped base material 534a made of a material having a high refractive index such as quartz containing Si (SiO 2 ); 7, the step of forming a Raman
以上のように、本発明の実施の形態は、前記記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。
すなわち、本発明の技術的思想及び目的の範囲から逸脱することなく、以上説明した実施の形態に対し、機序、形状、材質、数量、位置又は配置等に関して、様々の変更を加えることができるものであり、それらは、本発明に含まれるものである。
As described above, the embodiments of the present invention are disclosed in the above description, but the present invention is not limited thereto.
That is, without departing from the scope of the technical idea and purpose of the present invention, various modifications can be made to the above-described embodiments in terms of mechanism, shape, material, quantity, position, arrangement, etc. and they are included in the present invention.
この発明に係る波長変換部材、それを用いた波長変換装置およびレーザー照射装置、ならびに、波長変換部材の製造方法は、たとえば、歯科治療に用いられるレーザー照射装置として好適に使用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The wavelength conversion member, the wavelength conversion device and the laser irradiation device using the same, and the method for manufacturing the wavelength conversion member according to the present invention can be suitably used, for example, as a laser irradiation device used for dental treatment.
10、510 レーザー照射装置
20、520 波長変換装置
30、130、530 波長変換部材
32、132 レーザー導光体
34、134、534 ラマン波長変換部
134a、534a 基材
36 コア部
37、537 クラッド
38、538 被覆層
40、540 ハーフミラー部
50、550 本体部
52、552 レーザー発生部(半導体レーザー)
54、554 制御部
56、556 操作部
58、558 表示部
54, 554
Claims (15)
前記コア部の周囲に配置されるクラッドとを含むレーザー導光体を備え、
前記レーザー導光体の一方端側における前記コア部に対して、液体シリカと波長変換物質との混合物がドープ添加されることで、前記波長変換物質が拡散して配置されるとともに、前記拡散して配置された前記波長変換物質の一部が前記液体シリカ中のSiと結合して配置されたラマン波長変換部を有し、
前記レーザー導光体の他方端側から前記レーザー光が前記コア部を介して前記ラマン波長変換部に入射したとき、前記ラマン波長変換部において、前記波長変換物質に基づくラマン効果が生ずることで、前記レーザー光の波長とは異なる波長に波長変換されたラマン散乱光によるレーザー光が出力されることを特徴とする、波長変換部材。 a core portion for guiding laser light;
A laser light guide including a clad arranged around the core,
A mixture of liquid silica and a wavelength conversion substance is doped into the core portion on one end side of the laser light guide, so that the wavelength conversion substance is diffusely arranged, and the wavelength conversion substance is diffused. a Raman wavelength conversion part in which a part of the wavelength conversion material arranged in the liquid silica is bonded to Si in the liquid silica,
When the laser light enters the Raman wavelength conversion section from the other end side of the laser light guide through the core section, a Raman effect based on the wavelength conversion substance occurs in the Raman wavelength conversion section, A wavelength conversion member characterized by outputting laser light by Raman scattered light that has been wavelength-converted to a wavelength different from the wavelength of the laser light.
Siを含む基材と、前記基材にドープ添加される波長変換物質とにより構成されるラマン波長変換部と、
を備え、
前記ラマン波長変換部は、前記レーザー導光体の一方端側における前記コア部に融合され、かつ、前記波長変換物質が拡散して配置されるとともに、前記拡散して配置された前記波長変換物質の一部が前記Siと結合して配置され、
前記レーザー導光体の他方端側から前記レーザー光が前記コア部を介して前記ラマン波長変換部に入射したとき、前記ラマン波長変換部において、前記波長変換物質に基づくラマン効果が生ずることで、前記レーザー光の波長とは異なる波長に波長変換されたラマン散乱光によるレーザー光が出力されることを特徴とする、波長変換部材。 a laser light guide including a core portion for guiding laser light and a clad disposed around the core portion;
a Raman wavelength conversion section composed of a substrate containing Si and a wavelength conversion substance doped into the substrate;
with
The Raman wavelength conversion part is fused to the core part on one end side of the laser light guide, and the wavelength conversion material is diffusely arranged, and the wavelength conversion material is diffusely arranged. A part of is arranged in combination with the Si,
When the laser light enters the Raman wavelength conversion section from the other end side of the laser light guide through the core section, a Raman effect based on the wavelength conversion substance occurs in the Raman wavelength conversion section, A wavelength conversion member characterized by outputting laser light by Raman scattered light that has been wavelength-converted to a wavelength different from the wavelength of the laser light.
前記ラマン波長変換部の周囲に配置されるクラッドと、
を備え、
前記ラマン波長変換部の他方端側から前記レーザー光が前記ラマン波長変換部に入射したとき、前記ラマン波長変換部において、前記波長変換物質に基づくラマン効果が生ずることで、前記レーザー光の波長とは異なる波長に波長変換されたラマン散乱光によるレーザー光が出力されることを特徴とする、波長変換部材。 A base material containing Si for guiding laser light, and a wavelength conversion material doped into the base material, wherein the base material is previously doped with the wavelength conversion material for generating a Raman effect. a Raman wavelength converting portion in which the wavelength converting substance is arranged in a diffused manner, and a part of the wavelength converting substance arranged in a diffused manner is arranged to be bonded to the Si;
a clad arranged around the Raman wavelength conversion unit;
with
When the laser light is incident on the Raman wavelength conversion section from the other end side of the Raman wavelength conversion section, the Raman effect based on the wavelength conversion substance is generated in the Raman wavelength conversion section, thereby changing the wavelength of the laser light to the wavelength of the laser light. is a wavelength conversion member characterized by outputting laser light by Raman scattering light wavelength-converted to a different wavelength.
前記レーザー導光体の他方端側に配置され、ラマン効果により生ずる前記レーザー光の波長とは異なる波長に波長変換された波長のレーザー光を反射する機能を有するハーフミラー部と、
を備える波長変換装置。 a wavelength conversion member according to any one of claims 1 to 10;
a half-mirror section disposed on the other end side of the laser light guide and having a function of reflecting laser light having a wavelength converted to a wavelength different from the wavelength of the laser light generated by the Raman effect;
A wavelength conversion device comprising:
前記波長変換部材にレーザー光を射出する半導体レーザーと、
前記半導体レーザーを制御することにより、前記ラマン波長変換部における温度を制御するための制御部と、
を備える、レーザー照射装置。 a wavelength conversion device according to claim 11;
a semiconductor laser that emits laser light to the wavelength conversion member;
a control unit for controlling the temperature in the Raman wavelength conversion unit by controlling the semiconductor laser;
A laser irradiation device.
前記準備された混合物に、レーザー光を導波するためのコア部が露出されたレーザー導光体の一方端側を浸漬して、前記レーザー導光体の露出された前記コア部に前記混合物を塗布する工程と、
前記混合物を塗布した部分にレーザー光を照射して、前記レーザー導光体の一方端側において露出された前記コア部の表面に塗布された前記混合物を溶融したうえで、前記混合物内で前記波長変換物質を拡散させる工程と、
さらに、前記混合物を塗布した部分にレーザー光を照射して、前記波長変換物質の溶融温度より小さい温度により前記混合物を塗布した部分を加熱することで、前記波長変換物質が拡散された状態で固定して、ラマン波長変換部を形成する工程と、
を含む、波長変換部材の製造方法。 providing a mixture of liquid silica and a wavelength converting material;
One end side of a laser light guide having an exposed core portion for guiding laser light is immersed in the prepared mixture, and the mixture is applied to the exposed core portion of the laser light guide. a step of applying;
The portion coated with the mixture is irradiated with a laser beam to melt the mixture coated on the surface of the core portion exposed at one end of the laser light guide, and then the wavelength diffusing the conversion substance;
Furthermore, by irradiating the portion coated with the mixture with a laser beam and heating the portion coated with the mixture at a temperature lower than the melting temperature of the wavelength conversion substance, the wavelength conversion substance is fixed in a diffused state. and forming a Raman wavelength conversion part;
A method for manufacturing a wavelength conversion member, comprising:
前記ラマン波長変換部を、レーザー光を導波するためのコア部を含むレーザー導光体の一方端側に接合する工程と、
レーザー光を照射して、前記ラマン波長変換部と前記レーザー導光体との接合部を溶融して、前記ラマン波長変換部に含まれる前記波長変換物質を前記レーザー導光体の前記コア部に拡散させる工程と、
を含む、波長変換部材の製造方法。 providing a Raman wavelength converting portion in which a wavelength converting material is pre-doped in a substrate comprising Si;
a step of bonding the Raman wavelength conversion portion to one end side of a laser light guide including a core portion for guiding laser light;
Laser light is irradiated to melt the joint portion between the Raman wavelength conversion section and the laser light guide, and the wavelength conversion material contained in the Raman wavelength conversion section is transferred to the core portion of the laser light guide. a step of diffusing;
A method for manufacturing a wavelength conversion member, comprising:
前記基材に対して波長変換物質をドープ添加してラマン波長変換部を形成する工程と、
前記形成されたラマン波長変換部の周囲に配置されるクラッドを形成する工程と、
を含む、波長変換部材の製造方法。 A step of preparing a string-like substrate made of a material having a high refractive index, such as quartz containing Si (SiO 2 );
doping the substrate with a wavelength converting material to form a Raman wavelength converting portion;
a step of forming a clad arranged around the formed Raman wavelength conversion part;
A method for manufacturing a wavelength conversion member, comprising:
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