JP3378904B2 - ソリッドステートレーザダイオード光源 - Google Patents

ソリッドステートレーザダイオード光源

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、特に、血管形成手術および接触式レーザ
手術等において身体組織の処置を行うためのレーザプロ
ーブに使用されるソリッドステートレーザダイオード光
源に関する。
例えば動脈閉鎖を治療するための医療用レーザ装置
は、よく知られている。レーザエネルギは、直接的に身
体組織に放射されてこれを破壊できるよう、または、身
体組織に接してこれを破壊する熱伝導性チップを加熱す
ることにより、間接的に身体組織に放射されてこれを破
壊できるよう、光学ファイバを通過させられる。一般的
に、この種の従来の装置は、ガスレーザ、または、Nd
（ネオジミウム）:YAG（イットリウムアルミニウムガー
ネット）等のソリッドステートレーザを使用していたの
で、大型化し、容易に持ち運びできなかった。また、眼
科手術においては、コストが安く、コンパクトで、頑丈
なレーザ光源を提供可能であるという理由により、比較
的少ない光学エネルギ（〜１ワットまで）しか必要とし
ない半導体レーザが使用されていた。しかしながら、充
分な可撓性を有し且つ直径が小さい外科手術用の光学フ
ァイバ中に、レーザダイオードから充分なエネルギを送
り込むのは困難であるので、半導体レーザは、より大き
なエネルギが必要とされるその他の外科領域には使用さ
れていなかった。
そこで、光学ファイバからより大きなエネルギのレー
ザダイオード光源を提供するため、複数のレーザダイオ
ードを使用することが提案されている。
ある１つのシステムにおいて、各レーザダイオードか
らの光は各々の光学ファイバに送り込まれ、その後、複
数の光学ファイバの光がまとめられて、必要とされるビ
ームが作られる。しかしながら、市販されているレーザ
ダイオードは、点状ではなく、縞状の光源（典型的には
100×１μｍ）を提供するものである。このことは、レ
ーザ縞全体を収容するためには、比較的大きな直径の光
学ファイバ（該光学ファイバは従来より円形であった）
が必要であることを意味する。これらの光学ファイバ
は、外科用に適したエネルギ出力を発生するために充分
な数まとめられる場合、血管形成装置等の医療用すなわ
ち外科用のプローブとともに有効に使用するには大きす
ぎるものとなる。そこで、直径が小さにファイバ中にレ
ーザ縞の出力を効果的に送り込めることができるよう、
円形のファイバの端部を略楕円形に変形することが提案
されているが、これはコストが高くなり、実際には、効
果的にレーザ縞の出力をファイバに送り込むことができ
ないという課題がある。
この発明の第１の観点に従うレーザダイオード光源
は、少なくとも２つのソリッドステートレーザダイオー
ドと、可撓性の光学ファイバと、前記ダイオードと前記
ファイバとの間に設けられた光学手段であって、前記ダ
イオードによって発生されたビームを集合ビームに集合
し、該集合ビームを前記ファイバ中に集中させる手段を
含む光学手段とを備えたレーザダイオード光源であっ
て、前記光学手段が、結像手段と、該光学手段が前記フ
ァイバの端部において前記ダイオードのレーザ縞の拡大
され、集合させられた像を形成するよう配設されたアナ
モルフィックビーム形成手段とを備え、前記レーザ縞が
拡大される倍率は、前記結像された縞の長さ方向の倍率
が幅方向の倍率より小さく、さらに、前記結像された縞
の長手方向の長さが前記ファイバの内径を超えないよう
選択されている。さらに、前記ファイバの端部中に集中
されたビームの前記長さ方向および幅方向における開口
数が前記ファイバの開口数を超えないよう、前記アナモ
ルフィックビーム形成手段は、前記長さ方向および幅方
向における前記集合ビームの相対的な開口数を調節でき
るよう配置されている。
この発明によると、各可撓性のファイバを通って送ら
れる光学エネルギが増加し、その結果、より小さい直径
を有する、より少数のファイバがまとめられて、血管形
成装置またはその他の医療装置によって課される限られ
たサイズ条件の中で、外科手術用に充分な明るさを持つ
光源が提供される。この発明に係る光源は、光学ファイ
バを通過したレーザ光がはんだ付け処理用の熱を発生す
ることとなるレーザ式はんだ付けアイロンのような、そ
の他の用途に使用してもよい。その場合、２つのレーザ
ダイオードからの光が、単一の光学ファイバ中に集中さ
れて、充分なエネルギを提供することになる。
この発明は、開口数の不一致によるエネルギ損失を発
生することなく前記ファイバの内径を最小化できるよ
う、レーザ縞の像の形状を最適化することを可能にす
る。拡大されて結像された前記縞は、光学ファイバの端
部の内径に適合する。（相対的な倍率が１未満であるか
ぎり）、前記長さ方向および幅方向における倍率の絶対
値は、用途および光学ファイバのサイズ条件に応じて変
更可能であるが、多くの用途においては、エネルギ損失
を伴うことなく、各前記ファイバの直径を最小化するこ
とが望ましい、この場合、前記光学手段は、前記ファイ
バの開口数を実質的に超えることなく、前記縞の長さ方
向における前記像のサイズを減少させるのに有効であ
る。
市販されているレーザダイオードは、縞状の光源から
光ビームを発生し、該光ビームは、前記縞の長さ方向の
開口数が、該縞に直角な方向の開口数より小さい。典型
的には、前記長さ方向の開口数は0.1であり、前記直角
な方向の開口数は0.33である。このことは、前記ビーム
およびファイバの前記直角な方向における開口数が互い
に略同等である場合、前記ビームの前記長さ方向におけ
る開口数が標準的な光学ファイバの開口数より小さい、
ということを意味する。
円形のファイバにおいて、最小の直径は、レーザ光源
の縞の像の長さによって設定される。というのは、前記
直径が前記縞の像の長さより小さい場合、前記ファイバ
がすべてのビームとは重ならないことにより、エネルギ
の損失が生じるからである。さらに、前記縞の像の長さ
を減少させる光学手段は、前記ファイバの端部中に集中
された前記集合ビームの分散度に従って開口数の増加を
もたらす。エネルギ損失を回避しようとする場合、ビー
ムの開口数が前記ファイバの開口数を実質的に超えな
い、ということが重要である。
前述のように、前記ファイバの直径を最小化すること
を目的とする好ましい実施例においては、光学手段によ
る倍率は、前記ファイバの端部に形成される縞の像の長
さを、オリジナルの縞に比べて一定の率だけ減少させる
よう選択される。その結果、前記集合ビームの開口数が
前記光学ファイバの開口数を実質的に超えることがな
い。さらに、前記縞に直角な方向におけるビームの開口
数が前記ファイバの開口数を実質的に超えないならば、
縞に直角な方向において（この方向において、ビームの
厚みは前記ファイバのサイズ上の制限をもたらさな
い）、好ましい光学手段は、１の倍率を有することがで
きる。
こうして、前記ファイバの内径を小さくすることがで
き、その結果、多くの用途において、特に、ある特定の
サイズ上の制限範囲内で複数のファイバを密に配列する
必要がある用途において、実際的な効果が得られる。
特に好ましい実施例において、前記光学手段は、前記
ファイバの端部に集中された縞の像の長さ方向における
開口数が前記ファイバの開口数に略等しくなるように、
配置される。このようにして、前記像の前記幅方向のサ
イズに対する、前記長さ方向におけるサイズの最大減少
率、従って、前記ファイバの内径に対する前記像の形状
の最適化を、前記ビームの開口数が前記ファイバの開口
数を超えることによるエネルギ損失を伴うことなく、実
現可能になる。前記ビームおよびファイバの開口数は、
幅方向においても等しいのが好ましい。好ましい実施例
において、前記光学手段は、前記像の幅方向におけるサ
イズに比べて、前記像の前記長さ方向における長さを減
少させ、前記集中されたビームの前記長さ方向における
開口数を約３倍に増加させるよう、配設されている。前
記光学手段が前記レーザの縞に直角な方向において前記
ビームになんらの影響を及ぼさない場合、上述の既知の
ダイオードによって、前記ファイバに集中された集合ビ
ームの開口数は、前記縞に平行な方向および直角な方向
において略同等になる。
好ましい実施例は、前記ダイオードとビーム集合手段
との間に配設されたレーザダイオードからの（通常分散
している）ビームを平行化する手段を備える。これによ
り、前記ダイオードとファイバとの間の光路上における
ビーム分散の結果として発生するエネルギ損失を伴うこ
となく、前記ダイオードとファイバとの間に、前記ビー
ム集合手段、および、所望の場合には前記ビーム形成手
段を配置することが可能になる。
前記好ましい光学手段は、平行化レンズと、例えば１
対のアナモルフィックプリズムからなるアナモルフィッ
ク望遠鏡と、結像レンズとを備える。このような構成
は、前記縞の幅方向に対する長さ方向の倍率が１未満で
ある円筒状の望遠鏡のように作用する。これにより、前
記縞の再集中された集合ビームの長さは、幅に比べて例
えば約３分の１に減少され、これに応じて、該長さ方向
における開口数は増加される。前記アナモルフィック望
遠鏡は、先ず、ビームをこの方向に率ｘだけ相対的に広
くするよう作用し、結像レンズは、所望の率だけ相対的
に減少した像を発生する。前記平行化レンズおよび結像
レンズの焦点距離が等しい場合、再集中化された像の長
さは同一の率だけ相対的に減少されることとなる。しか
し、もちろん、これらの焦点距離は、等しくなくてもよ
く、両方向における倍率が変化するよう調節されてもよ
い。
前記ビーム形成手段におけるある要素は多数のビーム
に共通のものとすることができるが、各ビームごとに前
述の構成を採用してもよい。ということが理解されよ
う。こうして、好ましい実施例において、単一の結像レ
ンズは、前記ビーム集合手段の下流に設けられることに
より集合ビームに作用し、分離した平行化レンズおよび
アナモルフィック望遠鏡は、レーザダイオードビームの
ために、前記ビーム集合手段の上流に設けられる。しか
し、単一のアナモルフィック望遠鏡を、前記集合ビーム
に作用するよう、前記ビーム集合手段の下流に設けても
よい。
２つのレーザダイオードビームを集合させるには多く
の方法がある。前記ビームの波長が相当異なる場合、２
色性のビーム集合器を使用することができる。しかし、
実際上、ほとんどのレーザダイオード光源は略同一の波
長を有する光（例えば赤外光）を発するので、ビームの
集合を、偏光型ビーム集合器によって行うのが好まし
い。各々の斜面が相互に接触していて誘電性の物質で被
覆された、２つの直角３角形プリズムからなるキューブ
（立方体）は、特に簡単な形態の偏光型ビーム集合器を
構成する。“S"偏光された１つの光源からの一方ビーム
は、前記キューブの被覆面に入射した後、“P"偏光され
た他方のビームが前記キューブの被覆面の他の面に入射
してから前記被覆面をまっすぐ通り抜ける光路と同じ光
路に沿って反射することにより、集合ビームを形成する
こととなる。前記キューブの外方面は、非反射物質で被
覆されているのが好ましい。偏光型ビーム集合器として
は、その他の既知の形態の偏光型ビーム集合器を使用す
ることができる。
既知のレーザダイオードにより発生される縞状の光ビ
ームは、その縞の軸に平行な方向に偏光される。従っ
て、前記レーザダイオードが同一方向に整列した縞の像
を作るよう配置されている場合、１つのビームの偏光方
向は、該ビームが前記ビーム集合手段に進入する前に、
90度回転されなければならない。好ましい実施例におい
て、各々のビームを前記ビーム集合手段に対して反射す
る反射プリズムの前に、半波長板を設けると都合がよ
い。前記ダイオードを相互に直角に離隔して設ける場
合、該半波長板を使用しなくてもよい。しかしながら、
このようにした場合、２つのビームのために、前記ビー
ム形成手段およびビーム集合用光学手段を直角に取り付
ける必要があるので、これらの取り付けが複雑になる。
上述のように、この発明に係る光源は、例えば接触式
レーザ手術などの多くの用途に使用可能である。レーザ
ダイオードからのビームを単一のファイバに集合させる
光源は、特に、集合化されたアセンブリにおいて、血管
形成装置などの身体に植込み可能なプローブ用に、高い
エネルギを提供するのに好適である。
従って、この発明の第２の観点による光源は、複数の
ソリッドステートレーザダイオードと、２つまたは３つ
以上の前記ダイオードからなる複数のダイオードグルー
プに対応して設けられており、各前記グループによって
発生されたビームを集合し、各前記集合した各々の可撓
性の光学ファイバ中に集中させる光学手段とを備えてお
り、複数の前記光学ファイバが、前記光学手段の下流に
おいて、密に配列されていることを特徴とするものであ
る。
この配列は、多数の光学ファイバに包囲された一対の
中央光学ファイバを含む光学ファイバの束とすることが
できる。この場合、前記束は、使用箇所に至る他の光学
ファイバに対して、適当に接続される。前記光源が前記
他の光学ファイバに突き合せ接続される場合、光を効果
的に伝えることができるよう、該ファイバの内径および
開口数は、前記配列の内径および開口数と同等以上であ
るのが好ましい。
同様に、それを結像する場合、前記他のファイバの内
径および開口数の積は、前記束のものと同等以上である
のが好ましい。
各レーザダイオードグループに対応する光学手段は、
前記第１の観点に関して説明したようなビーム形成手
段、集中手段および集合を備える。
さらに、この発明は、光学ファイバを備え、該光学フ
ァイバの先端に、身体組織を加熱する手段が設けられて
おり、前記光学ファイバの基端が、前記第２の観点に従
う光源の一部を構成する光学ファイバの束に光学的に接
続されている、医療装置を提供するものである。これ
は、例えば、身体に植込み可能なファイバを有する血管
形成装置である。
エネルギを高めるために、同様な波長のレーザダイオ
ードを組合わせることは、それ自体が従来の技術に対し
て新規性を有するものである。この発明のさらに別の観
点に従うレーザダイオード光源は、少なくとも２つのソ
リッドステートレーザダイオードと、可撓性の光学ファ
イバと、前記ダイオードと前記ファイバとの間に配設さ
れた光学手段とを備えており、該光学手段が、前記ダイ
オードにより発生されたビームを集合ビームに集合し、
前記集合ビームを前記ファイバ中に集中させる手段とを
含み、前記レーザビームが、略同等の波長を有するもの
であり、前記ファイバ中に同時に集中されることにより
前記光源のエネルギを増加し、前記集合手段が偏光用ビ
ーム集合器を含むものである。
次に、添付図面を参照してこの発明の好ましい実施例
を説明する。図面において、 図１はこの発明を実施した光源を示す平面図。
図２は図１に示した光源の側面図。
図３は密に配列された、複数のこの発明に係る光源を
示す図。
図１および図２において、２つの１ワットのソリッド
ステートレーザダイオード１、２は、光ビーム３、４を
発生する。この実施例における各レーザダイオードは、
0.1×0.33の開口数において100×１μｍのレーザ縞を発
生する。前記光ビーム３、４は、平行化レンズ５、６に
よって平行化された後、アナモルフィックプリズム対
７、８、９、10からなるアナモルフィック望遠鏡を通過
する。図から分るように、前記アナモルフィックプリズ
ム対７、８、９、10は、先ず、前記光ビーム３、４の前
記縞に平行な方向におけるサイズを、約３倍に増加させ
るが、前記縞に直角な方向におけるサイズには影響を与
えない。アナモルフィックプリズム対７、８、９、10を
通過した後、前記光ビーム３、４は、ビーム集合キュー
ブ11に集められる。該ビーム集合キューブ11は、各々の
斜面同士が接触した２つのプリズム12、13によって構成
されている。プリズム12、13の界面14は、“P"偏光され
た光を通すが、“S"偏光された光を反射するよう、誘電
性の物質により被覆されている。
レーザダイオード１、２から発せられる光ビームは共
に前記キューブ11において“P"偏光されているため、１
つのビームの偏光方向を90度回転させる必要がある。こ
のため、ビーム３は、該ビーム３をビーム集合キューブ
11の界面14上に反射するリズム17の前面に配設された半
波長板16を通過させられる。
前記キューブ11における誘電性被覆面14は、ビーム４
に対して透明であり、従って、該ビーム４を偏向するこ
となく通過させるが、ビーム４と同じ光路に沿って反射
されるビーム３に対しては鏡として作用し、こうして、
集合ビーム18を形成する。その後、このビーム18は、結
像レンズ19によって、可撓性の光学ファイバ20中に集中
される。結像レンズ19は、前記平行化レンズ５、６と同
じ焦点距離を有し、前記アナモルフィックプリズム７、
８、９、10と共働して、オリジナルの光源１、２を集合
した像を作る。この光源１、２の集合像は、前記縞に対
して直角な方向においてはオリジナルの光源１、２と同
じサイズであるが、前記縞に対して平行な方向において
は、前記プリズムによって各ビームの厚みが該平行な方
向に増加した率と同じ率だけ減少したサイズとなる。こ
の特定の実施例において、前記結像レンズ19は、前記集
合像を、開口数0.37の50μｍの直径（クラディングを含
む55μｍ）を有する光学ファイバ20の入力面において、
開口数が0.3×0.33の33×１μｍの点に収束させる。
こうして、レーザダイオード１、２の発光縞の像の相
対的長さが約1/3に減少したこと、および、この減少に
より、前記像の形状が前記光学ファイバの端部に対して
より適確に適合し、従って、光学ファイバ20の直径をそ
れに応じて小さくできる、ことが理解されよう。さら
に、光学ファイバ20に入射するビームの強度が、損失を
考慮しない場合、個々のレーザダイオード１、２のビー
ム強度の約２倍となる。また、前記光源の開口数は、光
学ファイバ20の開口数と正確に同等にされる。
これらの率は、ある特定のエネルギの光源を実現する
ためには、比較的少数で小さいファイバが必要であるこ
とを意味し、この要件は血管形成装置において特に重要
となる。
図３は、血管形成装置と共に使用可能な、束状に配置
された光源の平面図である。
この光源は、各々が図１および図２のものと同様な光
源である８つの（４つだけ図示）光源21からなっている
が、半波長板16は、ビーム形成プリズム10と反射プリズ
ム17との間に挟まれており、プリズム８と集合キューブ
11とは、これらの間に設けられたガラスプレート22によ
って相互離隔されている。
これら４つの図示された光源21は、光源ハウジング23
内において、モジュール24としてまとめて取り付けられ
ている。図示したモジュール24の下方には、さらに４つ
の同様な光源からなる同一構成のモジュールが逆方向に
取り付けられている。
８つの前記光源から延びた光学ファイバ20は、中央の
２本の光学ファイバが他の６本の光学ファイバによって
包囲された状態に、束ねられる。これらの組み合わされ
た光源は、直径が200μｍで、開口数が0.37であり、接
続損失および伝送損失を考慮して10Wの光源を提供する
ものである。
その後、この光学ファイバの束を介して送られる光源
は、コネクタ25内に取り付けられたボール状のレンズに
より、単一の円形ファイバ26中に結像される。該円形フ
ァイバ26の他端は、前記ハウジング23に取り付けられた
光学ファイバコネクタ27に接続されており、こうして、
血管形成装置の光学ファイバと接続可能な光源を実現し
ている。
前記ファイバ25は、血管形成装置の先端などの使用箇
所に光を送るために充分な直径および開口数を有するも
のである。このような単一の円形ファイバを使用するこ
とにより、前記ファイバの先端で、密に設けられた前記
ファイバ列から発生される光において、前記列内の個々
のファイバから、および、前記ファイバの束の個々の構
造から発せられるエネルギの変化によって生じる空間構
造を排除することが可能になる。
前記光源が前記他のファイバに突き合せ接続される場
合において、光を効果的に送るためには、前記ファイバ
の内径および開口数は、前記ファイバ列の内径および開
口数と同等以上でなければならない。同様に、前記光源
を結像するためには、前記他のファイバの内径および開
口数の積は、前記ファイバ束のものと同等以上でなけれ
ばならない。
一例として、この実施例の束状の光源は、血管形成装
置に好適に使用され得るよう、倍率２で、内径が330μ
ｍで開口数が0.19のファイバ中に結像されることができ
る。
上記実施例の説明で使用された数値は単なる一例であ
り、この発明は、上記の実施例のものに限らず、様々に
変更可能である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−98320（ＪＰ，Ａ) 米国特許4770653（ＵＳ，Ａ) 米国特許4763975（ＵＳ，Ａ) Ｋ．Ｔａｔｓｕｎｏ ｅｔ ａｌ．, Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ−ｌｉｍｉｔｅ ｄ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｓｉｎｇｌｅ ｓｐｏｔ ｆｒｏｍ ｐｈａｓ，Ａｐｐ ｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，米国，1989年 11月 １日，ｖｏｌｕｍｅ28，ｎｏ. 21，4560−4568 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) A61B 18/20 H01S 3/16

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも２つのソリッドステートレーザ
    ダイオード（1,2）と、可撓性の光学ファイバ（20）
    と、前記ダイオード（1,2）及び前記ファイバ（20）の
    間に設けられた光学手段であり、前記ダイオード（1,
    2）によって作り出されたビーム（3,4）を集合ビーム
    （18）に集合させ、該集合ビームを前記ファイバ中に集
    中させる手段を有する光学手段と、を含むレーザダイオ
    ード光源を備える医療装置であって、 前記光学手段が、結像手段（19）と、当該光学手段が前
    記ファイバの端部に前記ダイオード（1,2）のレーザ縞
    の拡大され集合された像を作り出すように配設されたア
    ナモルフィックビーム形成手段（７−10）とを備え、前
    記レーザ縞が拡大される倍率が、前記結像された縞の長
    さ方向の倍率が幅方向の倍率より小さく、更に、前記結
    像された縞の長さ方向のサイズが前記ファイバ（20）の
    内径を超えないように選択されており、更に、前記ファ
    イバ（20）の端部中に集中されたビームの前記長さ方向
    及び幅方向における開口数が前記ファイバ（20）の開口
    数を超えないように、前記アナモルフィックビーム形成
    手段（７−10）が、前記集合ビーム（18）の前記長さ方
    向及び幅方向に沿っての相対的な開口数を調節できるよ
    うに配設されており、 前記光学ファイバ（20）がその先端に身体組織を加熱す
    る手段を有し、且つ、該光学ファイバ（20）の基端が前
    記レーザダイオード光源と光学的に接続されている、 ことから成る医療装置。
  2. 【請求項２】前記光源縞の前記長さ方向における前記集
    中ビーム（18）の前記開口数が、前記ファイバ（20）の
    開口数と略同等である、請求項１に記載の医療装置。
  3. 【請求項３】前記像の前記長さ方向におけるサイズが、
    前記幅方向におけるサイズの約３分の１に減少される、
    請求項１又は２の内の何れか一項に記載の医療装置。
  4. 【請求項４】前記結像された縞が、オリジナルの縞に比
    べて、前記長さ方向に縮小される、請求項１乃至３の内
    の何れか一項に記載の医療装置。
  5. 【請求項５】前記光学手段が、平行化レンズ（5;6）
    と、アナモルフィック望遠鏡（7,8;9,10）と、結像レン
    ズ（19）とを含む、請求項１乃至４の内の何れか一項に
    記載の医療装置。
  6. 【請求項６】単一の結像レンズ（19）が、前記集合ビー
    ムに作用可能に前記ビーム集合手段（11）の下流に配設
    されており、互いに分離した平行化レンズ（5,6）とア
    ナモルフィック望遠鏡（7,8;9,10）とが、各光ビーム
    （3,4）毎に、前記ビーム集合手段（11）の上流に配設
    されている、請求項５に記載の医療装置。
  7. 【請求項７】前記ビーム集合手段が偏光型ビーム集合器
    （11）を含む、請求項１乃至６の内の何れか一項に記載
    の医療装置。
  8. 【請求項８】前記レーザダイオード（1,2）が同一の方
    向に偏光されたビームを発するような方向に設けられて
    おり、前記集合手段（11）が、前記偏光型ビーム集合器
    （11）において両ビーム（3,4）が集合させられる前
    に、前記ビームの１つ（３）が通過する半波長板（16）
    を含む、請求項７に記載の医療装置。
  9. 【請求項９】前記ファイバ（20）の前記開口数が約0.37
    である、請求項１乃至８の内の何れか一項に記載の医療
    装置。
  10. 【請求項１０】前記光学ファイバ（20）が密な束にまと
    められている、請求項１乃至９の内の何れか一項に記載
    のレーザダイオード光源を複数備えた医療装置。
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