KR100572522B1 - 피부질환용 자외선 광원을 생성하기 위한 레이저 방사시스템 - Google Patents

피부질환용 자외선 광원을 생성하기 위한 레이저 방사시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 간단하고 저렴한 방법으로 출력과 출력안정성이 모두 높은 310nm 근방의 자외선빛을 얻기 위한 310nm의 자외선 광원 생성을 위한 전 고체식 레이저 방사 시스템에 관한 것으로, 355nm(펌프파)의 파장의 빛을 620nm 파장의 시그날파를 발생시키는 광매개발진기와 광매개발진기에서 출력된 620nm 파장의 빛을 제 2고조파로 변환하여 310nm의 자외선 빛을 출력시키는 고조파 변환장치로 이루어지는 레이저 방사 시스템에 있어서, 광매개발진기를 355nm의 펌프파를 발생시키는 펌프광원부; 355nm의 펌프파의 파장에서는 투과율이 높고 620nm의 시그날파 파장의 광은 전반사하도록 되어 있는 입력거울; 355nm의 펌프파가 입사되어서 620nm의 시그날파를 만들어 내는 비선형광학매질로 이루어진 광이득매질; 및 355nm의 펌프파의 파장의 빛은 전반사하고 620nm의 시그날파의 파장의 빛은 부분반사하여 광피드백을 유도하도록 하는 출력거울로 구성하고, 고조파 변환장치를, 광매개발진기로부터 입사된 620nm 파장의 빛을 그의 고조파로 변환하기 위한 주파수변환물질; 및 주파수변환물질에서 나올 수 있는 620nm의 시그날파의 적색광선은 일부와 310nm로 된 그의 제 2 고조파를 통과시키는 다중모드광섬유로 구성하였다.
광매개발진기, 피부질환, 비선형광결정, 제2고조파발생, 자외선

Description

피부질환용 자외선 광원을 생성하기 위한 레이저 방사 시스템 {Laser radiation system for producing ultraviolet rays for skin laser theraphy}
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 피부질환치료용 자외선 광원을 생성하기 위한 레이저 방사 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 2는 출력거울의 반사도에 따른 시그날파의 에너지 출력효율을 보여주는 그래프이다.
본 발명은 피부질환치료용 광원을 생성하기 위한 레이저 방사 시스템에 관한 것으로서, 특히 고출력의 안정된 자외선 광원을 저렴한 비용으로 발생시킬 수 있는 피부질환치료용 레이저 광원의 방사 시스템에 관한 것이다.
피부질환 중에 치료가 어려운 만성 질환의 예로서 건선(Psoriasis)과 백반증(vitiligo) 등을 들 수 있다. 건선은 인구의 약 1% 정도에서 발병하는, 작은 붉은 반점들이 온 몸에 생기고 좁쌀 같은 구진(丘疹) 혹은 얼룩점이 생기며 백색의 비듬이나 딱지가 생기는 질병으로, 주로 팔꿈치, 무릎, 생식기 주위, 팔, 다리, 두피 그리고 손톱, 발톱 등에 생긴다. 특히 손톱이나 발톱에 건선이 생기면 그 부분이 두꺼워지거나 부서지기 쉬운 모양으로 변형이 생겨서 손발톱 무좀으로 오인되기도 한다. 한편, 백반증(vitiligo)은 대체적으로 인종이나, 남녀, 지역에 따라 차이가 없이 100명중에서 1.4명 정도(1.4%)로 발생하는 흔히 볼 수 있는 피부병으로, 사람의 피부 한 곳 또는 여러 곳에 흰 반점이 나타난다. 백반은 피부에 있는 멜라닌세포(melanocyte) 소실에 의해 다양한 크기 및 형태의 흰 반점이 발생한다.
이러한 백반증이나 건선 등의 피부 질환을 치료하는 방법으로는, 치료부위에 연고를 도포하는 국소치료법, UVB(290-320nm) 또는 단파장 UVB(311nm)를 이용하거나, UVA(320-400nm)와 솔라렌(psoralen)을 이용하는 광치료법, 약을 먹는 전신치료법 등이 있으며, 이중에서 광치료법을 가장 많이 사용하고 있다.
광치료법은, 백반증, 건선, 아토피 피부염, 탈모증, 균상식육증 등과 같은 피부 질환에 대해 치료효과를 얻기 위해 자외선 광을 사용하는 것으로서, 그의 역사는 1926년까지 거슬러 올라가나, 1974년 패리시(J.A. Parrish)가 개발한 강한 UVA 형광 램프를 이용하여 메톡시소랄렌(8-methoxysoralen)이라는 약물을 투여한 후 UVA를 조사하여 건선환자를 치료한 이후 피부과 분야에 본격적으로 이용되기 시작되었다.
이후, 패리시와 재니케(K.F.Jaenike)는 “Journal of Investigative Dermatology, Vol. 76, No. 5, p.359-362(1981)”에 발표한 “Action Spectrum for phototheraphy of psoriasis”에서, 자외선 형광 램프를 사용하여 건선이 300nm~ 313nm의 스펙트럼에 반응함과, 296nm 이하에서는 홍반을 수반할 뿐 치료효과가 거의 없음을 밝혔다. 이에, 홍반을 수반하지 않으면서도 치료 효과가 있는 보다 효과적인 자외선광원에 대한 연구가 진행되어서, 308nm의 엑시머(eximer)레이저를 개발하였으며, 현재 병원에서는 크세논-클로라이드(Xenon- Chloride)가스를 사용한 엑시머레이저를 이용하여 308nm의 자외선빛으로 피부질환을 치료하여 오고 있다(참조 M.Trehan and C.R.Talyer, Journal of American Academy Dermatology, "High-dose 308nm excimer laser for the treatment of psoriasis", vol 46, No.5, 732-737(2002)).
그러나 엑시머 레이저는 비용이 고가이며 헐라이드 또는 클로라이드와 같은 독성이 높은 할로겐족 가스를 사용할 뿐만 아니라, 일정한 시간을 사용한 후에는 소스 가스를 반복적으로 교체하여야 하는 불편함이 있다. 따라서, 엑시머 레이저는 일반병원에서 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다.
한편, 광치료용 자외선 광원을 만들어 내기 위해 광매개발진기(OPO;Optical Parametric Oscillator)를 이용하는 하는 방법이 미국특허 6,078,600호에 개시되어 있다. 전술한 미국 특허의 개시 내용을 참고로 하면, 266nm의 Nd:YAG레이저의 제 4 고조파를 펌프광으로 이용하여 310nm의 시그날(signal)파를 발생시킬 수 있으나, 여기서 발생된 310nm의 자외선은 펌프광과 인접한 파장을 가지므로, 그의 발진 효율 또는 출력 안정성이 떨어지는 단점이 있어서, 실용화되지 못하고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 저렴한 비용으로, 출력과 출력안정성이 모두 높은 피부질환의 광치료용 자외선 광원을 생성하기 위한 레이저 방사 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 광치료용 자외선 광원(310nm)을 생성하기 위한 레이저 방사 시스템은, 355nm의 파장의 빛을 펌프파로 받아서, 620nm 파장의 시그날파를 발생시키는 광매개발진기; 및 광매개발진기에서 출력된 620nm 파장의 빛을 제 2고조파로 변환하여 약 310nm의 자외선 빛을 출력시키는 고조파 변환장치로 이루어진다. 구체적으로 광매개발진기는 소정의 레이저 소스를 근거로 하여 355nm의 펌프파를 발생시키는 펌프광원부; 펌프파가 입사되는 것으로서, 355nm의 펌프파의 파장에서는 투과율이 높고 620nm의 시그날파 파장의 광은 전반사하도록 되어 있는 입력거울; 입력거울을 투과한 355nm의 펌프파가 입사되어서 620nm의 시그날파를 만들어 내는 비선형광학매질로 이루어진 광이득매질; 및 355nm의 펌프파의 파장의 빛은 전반사하고 상기 620nm의 시그날파의 파장의 빛은 부분반사하여 광피드백을 유도하도록 하는 출력거울로 이루어져 있다. 고조파 변환장치는, 광매개발진기로부터 입사된 620nm 파장의 빛을 그의 고조파로 변환하기 위한 주파수변환물질; 및 주파수변환물질의 후단에 연결되어, 주파수변환물질에서 나올 수 있는 620nm의 시그날파와 310nm로 된 그의 제 2 고조파에 대하여 310nm의 제 2 고조파를 통과시키면서 620nm 시그날파의 적색광선은 일부만 통과시켜 자외선광을 가이딩하도록, 310nm의 자외선 빛살반경과 같은 반경을 갖는 다중모드광섬유로 이루어진다.
특히, 레이저 소스로서 큐-스위칭된(Q-Switching) Nd:YAG레이저를 사용하여, 펌프광원부로부터는 큐-스위칭된 Nd;YAG레이저의 제 3 고조파(355nm)를 출력하여 펌프광으로 사용할 수 있으며, 광이득 매질로서는 BBO (beta barium borate), KTP(potassium titanyl phosphate), 또는 LBO(Lithium Triborate)를 사용할 수 있다.
광이득 매질로서 BBO결정을 사용하는 경우에, 시그날파의 진행방향의 수직한 면이 약 6×6mm2의 단면적을 갖고 광축과 시그날파의 진행방향으로 약 10 내지 14mm의 길이를 갖으며, 길이축이 광축과 약 32o 의 각을 이루도록 절단된 것을 사용할 수 있다. 그리고, 고조파 변환 장치의 상기 주파수변환물질로서 전술한 구조를 가지는 동일한 BBO 결정을 사용할 수도 있다.
한편, 출력거울은 시그날파 620nm의 출력효율과 출력의 안정성을 더욱 높이기 위하여 시그날파만을 부분반사하는 통상의 출력 거울에, 펌프광을 전반사하는 거울을 추가 구성할 수 있으나, 본 발명에서는 추가 거울을 장착하는 대신 시그날파의 파장에서 약 60 내지 70%의 반사하는 출력거울에 펌프광도 동시에 전반사하도록 이색 처리한 하나의 거울만으로 같은 목적을 달성하도록 한다.
또한, 광매개발진기와 제2고조파 주파수변환장치 사이에는, 광매개발진기로부터 나온 시그날파의 빛 세기를 크게 하기 위한 집광렌즈가 설치되어 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 자외선 광원을 생성하기 위한 레이저 방사 시스템을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 피부질환 광치료용 자외선 광원을 생성하기 위한 레이저 방사 시스템의 개략도를 나타낸다.
레이저 방사 시스템(10)은, 초당 10～20번 정도의 저반복율로 플래쉬램프를 방전시켜 큐스위칭(Q-Switching)된, 고출력의 펄스형 Nd:YAG레이저의 제3고조파(355nm)의 빛을 펌프파로 받아서, 약 620nm(620 ±40nm) 파장의 시그날파를 발생시키는 OPO(10a)와 약 620nm 파장의 빛을 약 310nm(310 ±20nm)의 자외선 빛으로 변환시키는 제 2 고조파변환장치(10b)로 이루어져 있다. 여기서 참조번호 18은 펌프광 및 시그날파의 진행 경로를 나타낸다.
OPO(10a)는 1064nm의 기본 주파수를 가지는 고출력의 펄스형 Nd:YAG레이저의 제3고조파인 355nm파장의 강한 세기의 빛을 공급하는 펌프광원부(11), 펌프광의 파장과 시그날파의 파장에서 특수 반사율을 갖도록 제작된 입력거울(12) 및 출력거울(outputcoupler;14), 비선형광학매질로 이루어진 광이득매질(13) 및 집광렌즈(15)를 포함한다.
펌프광원부(11)로부터 제공되는 355nm 파장의 빛은 펄스폭이 약 10나노세컨드(nanosecond)이고, 약 3.5mm정도의 빛살직경으로 단펄스 에너지가 100mJ이상의 출력특성을 갖는 것을 사용하였다. 그러나 본 발명의 펌프광은 이러한 조건에 구속되지 않고, 최종 출력되는 310nm의 자외선의 단펄스 에너지 수준 등을 고려하여 다양하게 변경될 수 있다.
입력거울(12)은 펌프광원부(11)로부터 공급되는 355nm의 펌프파에서는 약 95%이상 투과(투과율이 높음)시키고 약 620nm파장의 시그날파에서는 약 99%이상을 반사(실질적으로는 전반사)시키는 이색 평면거울로 이루어져 있으며, 특정 파장에서 원하는 투과율과 반사율을 가지도록 거울을 이색 평면거울로 만드는 공정은 당업계에서 공지된 것이므로, 이색 평면거울인 입력거울(12)의 구성 및 제조 방법 등에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
광이득매질(13)은 비선형 광학 결정이 이용되며, 이 매질을 통해 형성된 시그날파가 약 620nm를 가지도록, 매질의 기하학적 구조 및 결정 물질이 적절히 선택되어 진다. 이러한 비선형 광학매질로는 BBO (beta barium borate)를 비롯하여, KTP(potassium titanyl phosphate), LBO(Lithium Triborate)등을 들 수 있다. 특히 본 발명의 실시 예에서는 이득매질(13)로서, 전술한 비선형 광학결정 중에서 구입하기 용이한 통상의 BBO 결정을 사용하였다. 구체적으로, 이때의 BBO는 펌프광의 진행방향의 수직한 면이 최소한 6×6mm2의 단면적을 갖고, 광축과 펌프광의 진행방향으로 10 내지 14mm의 길이를 갖는 직육면체 형상을 하고 있으며, BBO 결정은 길이축이 광축과 31o 근방(31 내지 32 도 정도)의 각을 이루도록 절단되어 있다.
여기서 BBO 결정의 광축의 진행 방향에 수직한 면의 면적이 전술한 최소 면적 이하가 되면 입력시키는 펌프광의 세기가 커야하는 바, 펌프광의 세기가 일정한 값 이상에서는 결정이 파손되므로 시그날파로의 에너지변환을 충분히 할 수 없는 문제가 생기며, 최소 면적 이상이 될 경우에는 동작에는 전혀 영향을 주지 않으나 결정의 가격이 높아지므로 경제적인 부담으로 작용하게 되는 문제가 있다.
출력거울(14)은 입력거울(12)과는 실질적으로는 반대되는 광 반사/투과 특징을 가진 것으로, 355nm의 펌프파에서는 약 99%이상 반사(전반사)시키고 약 620nm파장의 시그날파에서는 광피드백을 위해 약 60-70% 범위 내에서 반사시키는 이색 평면거울을 사용하는 것을 본 발명의 중요 특징으로 하며, 이러한 이색 출력거울(14)을 만드는 공정도 당업계의 공지 기술을 이용한다. 통상 OPO 출력거울 측에는 시그날파를 부분반사하는 출력거울 외에 펌프광을 전반사시키는 거울을 추가로 장치(미국특허 5,457,707 참조)하고 있으며, 이럴 경우 OPO 출력의 문턱에너지가 낮아지며, 출력효율(Signal Output Efficiency)이 높아진다는 사실이 알려져 있다. 여기서 출력효율이라 함은 단위 펄스당 펌프광의 에너지 대비 시그날파의 출력 에너지 비율을 뜻한다. 본 발명에서는 별도의 펌프광을 전반사시키는 거울을 추가로 장착하는 대신, 시그날파를 반사시키는 출력거울(14)에 직접 펌프광을 전반사하도록 이색 반사 처리하였다.
그리고 이러한 이색 처리된 출력거울(14)과 펌프광에 대한 전반사 처리를 하지 않은 출력거울에 대하여, 출력효율변화를 출력거울의 시그날파에 대한 반사율의 함수로 측정하였으며 그 결과를 도 2에 나타내었다. 여기서 우선적으로 알 수 있는 것은 펌프광을 전반사하도록 이색 반사처리한 출력거울의 경우(도 2에서 Ο표식; RP) 펌프광에 대한 전반사처리가 되어 있지 않은 거울의 경우(도 2에서 □표식; R)와 비교할 때, 출력효율이 2배이상 월등하게 높다는 점과, 기존에 사용하여 온 별도의 펌프광의 전반사 거울을 추가하여 얻었던 출력효율의 상승효과가 이색거울 한개로 달성 할 수 있다는 것이다. 따라서 본 발명의 이색 출력거울은 OPO구성을 단순화시키는 장점을 갖게 된다. 또한 도 2에서 펌프광을 전반사하도록 이색 반사처리한 출력거울의 경우 시그날파에 대한 반사율이 70%인 경우 33%의 가장 높은 출력효율로 시그날파가 출력됨을 알 수 있다. 따라서 출력거울은 펌프광을 전반사시키며 동시에 시그날파에 대하여 약 60 내지 70%의 반사율을 갖도록 하는 것이 최대 출력변환을 주므로, 출력거울(14)은 이 조건을 만족하는 이색거울로 사용하는 것이 바람직하다.
다음, 집광렌즈(15)는 출력거울(14)에서 나온 약 620nm파장의 시그날파의 빛세기를 크게 하여 약 310nm파장의 자외선광의 발생효율이 높도록 시그날파를 집광하기 위한 것으로서, 구체적인 예로서 초점거리가 30cm인 볼록렌즈를 사용할 수 있으며, 여기서 초점거리는 상기 값에 한정되지 않고, 입력거울(12), 출력거울(14) 및 이득매질(13)간의 기하학적 배치 등에 따라서 변경될 수 있다.
그리고, 제 2 고조파 변환장치(10b)는 강한 세기의 약 620nm의 시그날파를 약 310nm의 제2고조파로 변환하기 위한 주파수변환물질(16)과 피부치료가 편리하도록 사용되면서 약 310nm의 자외선 빛과 함께 주파수변환물질(16)로부터 나온 620nm의 자외선 빛을 가이딩할 수 있도록 하여 시그날광(620nm)의 일부를 통과시키는 직경이 1mm인 자외선 다중모드광섬유(17)를 포함한다.
주파수변환물질(16)은 비선형광학물질로 이루어진 것으로서, 주파수변화물질(16)에 입사된 광(620nm)의 에너지의 일부는 주파수변환물질(16)의 내부에서 제 2 고조파(310nm)로 변환되므로, 주파수변환물질(16)로부터 나온 광은 제 2 고조파(310nm)와 함께 제 2 고조파로 변환되지 않은 잔여 기본파(620nm)가 포함되게 된다. 이러한 주파수변환물질(16)로는 BBO, KTP 또는 LBO 등이 사용될 수 있다. 본 실시 예에서는 주파수변환물질(16)은 시그날파의 진행방향의 수직한 면이 6×6mm2의 단면적을 갖고 광축과 시그날파의 진행방향으로 14mm의 길이를 갖으며, 기본파가 들어가는 표면은 약 620nm파장에서 약 310nm의 자외선이 출력되어 나오는 표면은 약 310nm파장에서 무반사되도록 코팅처리된 BBO 결정을 사용되며, 또 이때 결정의 길이축은 광축과 약 32o 의 각을 이루도록 절단되었다.
전술한 바와 같이, 주파수변환물질(16)을 통과해 발생된 광에는, 약 310nm파장의 자외선빛과 함께 약 620nm파장의 빛도 함께 포함되어 있으므로, 약 620nm를 분리하기 위한 광분리 장치가 필요하게 된다. 광분리 장치로서, 통상적으로 사용하는 이색 거울 또는 프리즘을 사용할 수도 있으나, 본 발명에서는 도 1에 도시된 것과 같이 자외선 다중모드광섬유(17)를 사용한다. 즉 제 2 고조파는 기본파광 세기의 제곱에 비례하므로 약 620nm의 빛살반경이 약 310nm파장의 빛살반경보다 약 1.4배 더 크며, 따라서 약 310nm파장의 빛살반경과 같은 반경을 갖는 자외선 광섬유를 사용하면 약 310nm파장의 빛은 모두 광섬유를 통과하지만 제 2 고조파로 변환되지 않은 잔여 620nm파장의 적색빛은 일부만 통과하여, 피부치료에는 영향을 주지 않으면서 잘 보이지 않은 자외선광을 가이딩하는 일석이조의 효과를 준다. 그러므로, 도 1에 도시된 자외선 다중모드광섬유(17)를 사용하게 되면, 광분리과정 후에 별도의 전송 케이블을 준비하지 않고 바로 약 310nm의 자외광선을 치료부위에 조사할 수 있게 되어 사용이 보다 편리하게 된다.
이제 본 발명의 일 예에 따른 레이저 방사 시스템(10)을 통해 시그날파의 출력효율과 동시에 출력안정성이 높은 약 310nm의 파장을 가지는 피부질환치료용 자외선 광원을 생성하는 과정을 설명한다.
먼저 OPO의 전반적인 동작에 대해 설명한다. OPO에서는 펌프광의 진동수가 ω3 라면, 공진기구조를 통하여 서로 다른 진동수 ω1(시그날파;signal)와 ω2 (아이들러파;idler, ω2 < ω1)의 두 빛이 발생되며, 이들 진동수들 사이에는 ω3 = ω1 + ω2 의 관계가 성립한다. 그래서, 본 발명에서 펌프광으로 사용된 Nd:YAG 레이저의 제 3 고조파의 파장이 355nm이므로, 이보다 긴 파장을 가지는 시그날광이 출력 된다.
이러한 원리를 본 발명에 적용하면, 펌프광원부(11)로부터 제공된 355nm의 펌프광은 이색 거울로 이루어진 입력거울(12)로 입사되어서, 입력거울(12)에서는 355nm의 펌프광은 거의 투과된다. 투과된 355nm의 펌프광은 광이득매질(13)로 입사되어 전술한 주파수 관계를 만족하는 시그날파(약 620nm의 적색광)와 아이들러파(약 820nm의 적외선)를 출력하게 된다.
본 발명에서의 광이득매질(13)은 시그날파가 약 620nm를 가지도록 결정 물질 과 그의 광축이 적절히 선택되어져 있으므로, 광이득매질(13)로부터 약 620nm의 적색광선이 출력 되게 된다. 출력된 약 620nm의 시그날파의 일부는 출력거울(14)에서 반사되어 광피드백되고 나머지는 출력거울을 통과하여 광매개발진기 밖으로 출력된다.
즉, 본 발명에서는 펌프광으로 355nm를 사용하여 OPO(10a)를 통해 약 620nm의 파장을 가지는 광을 출력하게 된다. 그런데 본 발명의 OPO(10a)를 통해 출력된 약 620nm의 적색광선은 출력효율과 그 출력안정도가 모두 높게 되는데 이는 다음과 같은 문턱빛세기에 관한 이론을 통하여 설명할 수 있다.
문턱빛세기(Ith )란 OPO(10a)에서 펌프빛에 의하여 새로운 파장의 빛을 발생시키기 위한 최소한의 펌프빛의 세기조건을 말하는 것으로, 다음의 방정식으로 표현된다.
Figure 112003026456112-pat00001
(1)
여기서 n1, n2, n3는 각각 시그날파, 아이들러파, 펌프파의 굴절률을 나타내고, λ1, λ2는 시그날파, 아이들러파의 파장을 나타내며, α는 공진기내에서의 손실을 나타내고, de는 2차 비선형 광학계수를 나타내며, I 은 비선형 매질의 길이를 나타낸다.
이 관계식은 다시 다음과 같이 진동수로 재표현될 수 있다. 즉,
Figure 112003026456112-pat00002
(2)
여기서 c 는 광속이다. 이 (2)식은 ω3 = ω1 + ω2 의 관계에 의하여 다음과 같이 다른 표현으로 나타낼 수 있다.
Figure 112003026456112-pat00003
(3)
여기서
Figure 112003026456112-pat00004
이다. 위의 (3)식에서 X를 제외한 모든 값들은 거의 상수로 볼 수 있으므로 X의 값이
Figure 112003026456112-pat00005
일 때(즉, 시그날파의 파장이 펌프광의 파장의 2배일 경우) 문턱에너지가 가장 낮아지는 것을 알 수가 있으며, ω1 이 ω3 에 가까워질수록 문턱에너지가 커지는 것을 알 수 있다.
따라서, 이를 본 발명에 적용하면, ω1 이 파장 약 620nm의 진동수이고 ω3 이 파장 355nm의 진동수가 되므로 X 가 약 0.59(
Figure 112003026456112-pat00006
)가 된다. 즉, 본 발명에 따른 OPO(10a)로부터 적색광인 약 620nm파장의 빛을 얻기 위한 문턱 에너지는 거의 최소가 되는 조건에 해당됨을 알 수 있다.
한편, 전술한 문턱에너지와 출력 안정성의 문제를 종래 기술의 하나로 언급된 미국특허 6,078,600호에 적용해 보면, ω1 이 파장 310nm의 진동수이고 ω3 이 파장 266nm의 진동수가 되므로 X 가 약 0.85(
Figure 112003026456112-pat00007
)이 되어, 본 발명의 경우(355 nm의 펌프광으로 620 nm의 시그날 빛을 발진시키는 경우)와 비교할 때 문턱에너지가 2 배 이상 높게 되므로 출력효율이 낮고 출력 안정성이 떨어짐을 알 수 있다.
이와같이 얻어진 출력효율이 높을 뿐아니라 출력이 안정된 약 620nm의 적색광선은 피부질환치료에 사용될 수 없으므로, 피부질환치료에 적합한 파장 범위인 약 310nm를 갖도록 주파수배가(frequency doubling)를 해야 한다. 이때 제 2 고조파발생효율을 높이기 위해, 출력거울(14)에서 나온 약 620nm의 적색광은 집광렌즈(15)를 사용하여 집광시킴으로서 그 세기가 증가된다. 그리고 집광렌즈(15)를 거친 광은 제 2 고조파 주파수변환물질(16)로 입사되며, 주파수변환물질(16) 내에는 약 620nm와 이의 고조파들이 생성되게 되어, 주파수변화물질(16)의 출력단에는 입사기본파인 약 620nm의 적색광선과 약 310nm의 제 2 고조파가 출력되게 된다. 이와같이 출력된 약 310nm의 자외선광은 자외선 다중모드광섬유(17)에 입사되어 건선이나 백반증을 광치료하는데 사용되고, 또 광섬유를 통과한 일부 약한 적색광은 자외선광을 가이딩하는데 각각 사용된다.
정리하면, 본 발명은, 패리시의 실험에 의해 밝혀진 바와 같이 자외선형광램프를 통하여서도 피부질환치료가 효과적으로 달성된다는 사실로부터 의학치료용 광원은 분광학에서 요구되는 정도의 좁은 선폭(1cm-1이하)이 필수적이 아니라는 점, 엑시머 레이저를 사용하여 310nm 근방의 피부질환치료용 자외선을 생성하는 것은 경제적이지 못하고 또한 취급 및 사용에 있어 문제가 있다는 점, Nd:YAG 레이저의 제 4 고조파를 펌프광으로 한 OPO를 이용할 경우의 약 310nm의 자외선광의 출력효율과 출력 안정성이 낮다는 점을 감안하여 창작된 것이다. 따라서, OPO(10a)를 구성함에 있어서 Nd:YAG레이저의 제3고조파를 펌프광(355nm)으로 하고, OPO의 이득매질(13)로 BBO를 구성하고, 펌프광을 전반사시키는 거울을 추가로 장착하지 않고 OPO의 출력거울(14)을 펌프파장과 약 620nm의 시그날파의 파장에서 특수반사율을 갖는 이색출력거울(14)로 구성함으로써 선폭(약50cm-1)은 비교적 넓으나, 약 620nm의 고출력의 적색광을 높은 효율로 출력시킨후, 다시 이 광원(약 620nm의 출력광)을 다시 주파수변환물질(16)인 BBO에 입사시켜 제 2 고조파발생을 하게 하여 약 310nm의 자외선광을 발생시킬 수 있게 되었다.
한편, 본 발명에서는 OPO를 통해서 약 620nm의 출력 안정성이 높은 적색광선을 얻기 위해서, 펌프광으로서 Nd:YAG레이저의 제 3 고조파(355nm)를 사용하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 만약 펌프광의 소스를 본 발명의 실시 예에서 사용한 Nd:YAG 레이저와 다른 종류의 레이저를 사용하는 경우에는, 레이저 소스의 기본 주파수 또는 공지의 고조파발생기와 고조파분리기 등을 이용하여 만들어져 선택된 제 2고조파, 제3고조파 등 중에서 입력거울(12)로 입사되는 펌프광이 약 355nm 부분, 바람직하게는 약 310nm의 파장 부분(시그날파의 파장의 반에 해당하는 것)의 것을 선택한다면, 시그날파의 파장이 약 620nm가 되어서 역시 높은 출력안정성을 가질 수 있게 된다.
따라서 본 발명에 의해 생성된 피부질환용 310nm의 자외선 광원은 고출력으 로서 안정성이 상대적으로 높게 되며, 또한 생성 장치가 간단하고 생성 비용이 엑시머 레이저를 사용하는 경우보다 저렴하므로, 약 310nm 근방의 자외선이 요구되는 백반 또는 건선 등과 같은 피부질환 치료를 보다 활성화시킬 수 있는 계기를 마련하게 되었다.
지금까지 본 발명의 구성 및 원리에 대하여 설명하였으나 본 발명은 이에 한정하는 것이 아니며, 명세서에 기재되고 청구된 원리의 진정한 정신 및 범위 안에서 수정 및 변경할 수 있는 여러 가지 형태는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것임을 이해해야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 355nm의 파장의 빛을 펌프파로 받아서, 620nm 파장의 시그날파를 발생시키는 광매개발진기; 및
    상기 광매개발진기에서 출력된 620nm 파장의 빛을 제 2고조파로 변환하여 약 310nm의 자외선 빛을 출력시키는 고조파 변환장치로 이루어지며,
    상기 광매개발진기는 소정의 레이저 소스를 근거로 하여 상기 355nm의 펌프파를 발생시키는 펌프광원부;
    상기 펌프파가 입사되는 것으로서, 상기 355nm의 펌프파의 파장에서는 투과율이 높고 상기 620nm의 시그날파 파장의 광은 전반사하도록 되어 있는 입력거울;
    상기 입력거울을 투과한 355nm의 펌프파가 입사되어서 상기 620nm의 시그날파를 만들어 내는 비선형광학매질로 이루어진 광이득매질; 및
    상기 355nm의 펌프파의 파장의 빛은 전반사하고 상기 620nm의 시그날파의 파장의 빛은 부분반사하여 광피드백을 유도하도록 하는 출력거울로 이루어져 있으며,
    상기 고조파 변환장치는, 상기 광매개발진기로부터 입사된 620nm 파장의 빛을 그의 고조파로 변환하기 위한 주파수변환물질; 및
    상기 주파수변환물질의 후단에 연결되어, 상기 주파수변환물질에서 나올 수 있는 상기 620nm의 시그날파와 310nm로 된 그의 제 2 고조파에 대하여 상기 310nm의 제 2 고조파를 통과시키면서 상기 620nm 시그날파의 적색광선은 일부만 통과시켜 자외선광을 가이딩하도록, 310nm의 자외선 빛살반경과 같은 반경을 갖는 다중모드광섬유로 이루어진 것을 특징으로 하는 310nm의 자외선의 생성을 위한 레이저 방사 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 광이득 매질은, 상기 시그날파의 진행방향의 수직한 면이 약 6×6mm2의 단면적을 갖고 광축과 상기 시그날파의 진행방향으로 약 10 내지 14mm의 길이를 갖으며, 길이축이 광축과 약 32o 의 각을 이루도록 절단된 BBO 결정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 방사 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 출력거울은 상기 355nm의 펌프파의 파장의 빛은 전반사하고 동시에 상기 620nm의 시그날파의 파장의 빛에 대해서는 약 60 내지 70%의 반사율을 갖도록 되어 있는 이색 거울로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 방사 시스템.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 광매개발진기와 상기 주파수변환장치 사이에는 상기 광매개발진기로부터 나온 상기 시그날파의 빛 세기를 크게 하기 위한 집광렌즈가 더욱 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 방사 시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
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