KR102044378B1 - 이중 트리거를 이용한 단일 펄스 레이저 장치 - Google Patents

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전영민
양희동
문병혁
서민아
김철기
이택진
유용상
송현석
김재헌
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 명세서는 종래 싱글 트리거 방식의 단일 펄스 레이저 장치에 비해 부수적 펄스를 억제하여 단일 펄스 에너지 및 출력의 안정성이 증대된 더블 트리거 방식의 단일 펄스 레이저 장치를 개시한다.

Description

이중 트리거를 이용한 단일 펄스 레이저 장치{SINGLE PULSE LASER APPARATUS USING DOUBLE TRIGGER}
본 발명은 레이저 장치에 관한 것으로, 특히 이중 트리거를 통해 단일 펄스 에너지를 증대시키고 출력의 안전성을 높일 수 있는 단일 펄스 레이저 장치에 관한 것이다.
최근 레이저를 이용한 치료 기술이 널리 사용되고 있는데, 이러한 레이저를 이용한 치료장치는 피부과, 안과, 치과, 외과 수술 등에 사용되고 있다. 이 중, 피부과에서 사용되는 레이저 치료장치는 일반적으로 피부에 발생되는 피부 질환 또는 혈관 질환 같은 병변의 치료에 사용되며, 일정한 파장 및 세기를 갖는 레이저를 피부에 조사하여 치료 목적을 달성한다. 여러 가지 종류의 레이저가 피부과에서 치료를 위해 사용된다. 알렉산드라이트 레이저(Alexanderite laser, 755nm에서 동작, 2012년 개발)는 자연적으로 발생한 피부병리학적인 색소침착 및 문신을 처리하기 위하여 주로 이용되고, 후유증을 최소로 하면서 치료효과를 극대화하기 위한 피코초(picosecond) 펄스를 이용한다. 또한, 장펄스 루비 레이저는 머리털 제거를 위해 사용되고, Nd:YAG 레이저(1060nm에서 동작), 이산화탄소 레이저(CO2 laser, 10.6마이크로미터에서 동작) 및 아르곤 레이저(488-514nm범위에서 동작)는 확장성 혈관의 치료를 위해 사용된다.
구체적으로 피부과에서는 얼룩 반점, 기타 확장성 혈관 장애 및 문신을 포함한 색소 장애와 같은 다양한 피부병리학적 문제를 처리하기 위하여 레이저 치료장치가 이용된다. 이는 구성 단백질이 변성되거나 색소 입자가 분산되는 정도로 온도를 상승시키도록 국부적인 가열이 가능하도록 한다. 이때, 의료용 레이저는 다른 연구용 및 산업용 레이저와 달리 피부의 상처 치료에 적합한 레이저 조사광의 펄스폭과 에너지가 중요하다. 특히, 치료 효과를 극대화하기 위해 출력 펄스에 에너지가 최대한 집중되어야 하는데, 이를 위하여 단일 펄스 출력이 가능한 레이저가 필요하다.
종래의 기술에서는 단일 피코초 펄스 출력과 높은 에너지를 출력하기 위한 목적으로 펄스 피커(pulse picker) 방식 및 공진기 덤핑(cavity dumping) 방법을 사용한다. 그러나, 이러한 방법을 사용할 경우, 고속의 고전압 회로가 필요하기 때문에 회로 설계제작 가격과 소비전력 부담이 발생하고, 출력 에너지가 작기 때문에 증폭기를 사용해야 하는 문제가 있고, 증폭기의 사용에 따른 시스템 부피 증가와 증폭기에 공급되는 고전압에 의한 소모 전력 및 가격 부담이 발생한다.
미국등록특허 US 7,929,579는 전기광학변조기(EOM, Electro-Optic Modulator)를 1개만 사용하고 공진기 덤핑 방법을 사용하여 고 에너지 단일 펄스를 출력하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이 경우에는 고전압 전기광학변조기를 사용하여야 하고, 고속의 고전압 구동 회로가 필요하기 때문에 이에 따른 가격과 소비전력의 부담이 발생하고, 전기광학변조기를 1개만 사용하여 모드록킹(mode-locking)과 Q-스위칭(Q-switching)을 모두 해야 하기 때문에, 고전압에 의한 소비 전력의 부담이 발생하는 문제가 있다. 또한, 고전압 전기광학변조기를 사용하여 모드록킹과 Q-스위칭을 모두 하기 위하여 고속 고전압 스위칭 회로가 제작되어야 한다. 이에 더하여, 고 에너지 피코초 단일 펄스 출력이 가능하여 증폭기의 사용이 필요 없지만, 완전한 모드록킹을 구현하지 않기 때문에 일발 펄스(one shot pulse)를 만드는데 한계가 있다.
미국등록특허 US 7,929,579
본 명세서는 종래 단일 펄스 레이저 장치에 비해 출력의 안정성 및 단일 펄스 에너지가 증대된 단일 펄스 레이저 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서는 상기 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 따른 단일 펄스 레이저 장치는 제1 미러와 제2 미러, 이득매질, 모드록킹 및 Q-스위칭을 각각 수행하는 전기광학 변조기 및 음향광학 변조기를 구비하는 공진기를 포함하는 단일 펄스 레이저 장치에 있어서, 상기 공진기에서 발진된 레이저 광을 측정하는 제1 포토다이오드; 상기 제1 포토다이오드에서 출력된 전기신호를 TTL 신호로 변환하는 제1 동기화부; 상기 제1 동기화부에서 출력된 TTL 신호에, 모드록킹 및 Q-스위칭된 펄스들간의 동기화를 시키기 위하여 결정된 지연시간을 설정하고, 상기 지연시간에 따라 제1 트리거 TTL 신호를 출력하는 제1 지연부; 상기 공진기에서 최초로 발진된 Q-스위칭된 펄스를 측정하는 제2 포토다이오드; 상기 제2 포토다이오드에서 출력된 전기신호를 TTL 신호로 변환하는 제2 동기화부; 상기 제2 동기화부에서 출력된 TTL 신호에, Q-스위칭된 펄스들과 공진기 덤핑 타이밍 간의 동기화를 시키기 위하여 결정된 지연시간을 설정하고, 상기 지연시간에 따라 제2 트리거 TTL 신호를 출력하는 제2 지연부; 및 상기 제1 트리거 TTL 신호 및 제2 트리거 TTL 신호를, Q-스위칭을 수행하는 전기광학 변조기에 입력하여 동작시키는 Q-드라이버;를 포함할 수 있다.
상기 제1 포토다이오드는 상기 공진기 내 제1 미러에 인접한 영역에 위치하고, 상기 제2 포토다이오드는 상기 공진기 내 음향광학 변조기에 인접한 영역에 위치할 수 있다.
본 명세서에 따른 단일 펄스 레이저 장치는 상기 공진기에서 출력된 레이저 광의 펄스폭과 펄스 에너지를 모니터링하여 상기 지연시간을 결정하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제어부는 상기 트리거 TTL 신호가 지속되는 지속시간을 결정하는 단일 펄스 레이저 장치.
본 명세서에 따른 단일 펄스 레이저 장치는 상기 이득매질에 에너지를 공급하고, 램프를 펌핑할 때 출력되는 동기화 TTL 신호를 상기 제1 지연부 및 제2 지연부에 입력하는 전원 공급부;를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 모드록킹을 수행하는 음향광학 변조기는 특정 피코초 펄스폭의 레이저 광을 사전 발진시킬 수 있다.
이 경우, 상기 제어부는 상기 사전 발진된 펄스 간의 간격과 Q-스위칭된 펄스의 펄스폭의 관계를 기초로 상기 지연시간을 결정할 수 있다.
본 명세서에 따른 단일 펄스 레이저 장치는 상기 레이저 광의 펄스폭을 100 ps ~ 1 ns의 구간에서 조정하는 에탈론;을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 에탈론은 일정한 반사율을 갖는 평행 평면판으로서, 유리 또는 수정의 평행 평면판 한면 또는 양면에 유전체 다층박막을 증착시켜 반사율을 높인 광학소자이고, 레이저 광이 상기 에탈론을 투과할 때 투과 파장대역을 제한함으로서, 상기 에탈론의 반사율, 두께 및 굴절률에 의해 레이저 광의 펄스폭이 조정될 수 있다.
이 경우, 상기 에탈론은 적어도 하나 이상이며, 특성이 다른 에탈론을 공진기의 내부 또는 외부에 선택적으로 사용하여, 레이저광의 펄스폭이 조정될 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 명세서의 일 측면에 따르면, 단일 펄스 레이저 장치는 Q-스위칭된 신호의 펄스폭과 모드록킹 된 신호들 간의 상관관계를 계산하고 레이저 시스템에 반영하여 단일 펄스를 출력할 수 있고, 공진기 덤핑(cavity dumping) 기술을 통하여 단일 펄스 출력 레이저 광에 에너지를 집중시킬 수 있으며, 사전 발진(prelasing) 방법을 통하여 연속파(CW, Continuous Wave) 모드록킹된 신호의 피코초 펄스폭이 출력빔에 반영될 수 있다.
본 명세서의 다른 측면에 따르면, 이중 트리거를 통해 부수적 펄스(additional pulse)를 억제하여 단일 펄스 에너지를 증대시키고 출력의 안정성을 높일 수 있다.
본 명세서의 또 다른 측면에 따르면, 이중 트리거 방식을 통해 Q-스위칭된 공진기 덤핑 레이저의 출력을 안정화하고 부수적 펄스 발진을 억제하여 단일 펄스 에너지 증대시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 단일 펄스 레이저 장치의 블럭도이다.
도 2는 본 명세서에 따른 트리거 TTL 신호에 따라 Q-스위칭이 수행되는 과정을 도시한 그래프이다.
도 3은 비교 실험 결과 그래프이다.
본 명세서에 개시된 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 명세서가 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 명세서의 개시가 완전하도록 하고, 본 명세서가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자(이하 '당업자')에게 본 명세서의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 명세서의 권리 범위는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 명세서의 권리 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
본 명세서의 기술 분야인 피부치료용 레이저의 주요 인자에는 펄스 에너지(pulse energy), 펄스폭(pulse width), 피코초(picosecond), 레이저 파장(laser wavelength), Q-스위칭(Q-switching), 모드록킹(modelocking), 단일 펄스(single pulse), 공진기 덤핑(cavity dumping) 등이 있다. 상기 용어는 당업자에게 널리 알려진 용어이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
또한, 본 명세서는 본 출원인에 의해 등록된 한국 등록특허공보 제10-1682593호에 기재된 내용을 원용한다. 따라서, 본 명세서에 기재되어 있지 않는 기술적 내용에 대해서는 한국 등록특허공보 제10-1682593호에 의해 뒷받침될 수 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 단일 펄스 레이저 장치의 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 본 명세서에 따른 단일 펄스 레이저 장치(100)는 제1 포토다이오드(111), 제1 동기화부(112), 제1 지연부(113), 제2 포토다이오드(121), 제2 동기화부(122), 제2 지연부(123) 및 Q-드라이버(130)를 포함할 수 있다. 또한 본 명세서에 따른 단일 펄스 레이저 장치(100)는 공진기(160)를 더 포함할 수 있다. 상기 공진기(160)는 제1 미러(161), 파장판(162), Q-스위칭(Q-switching)을 수행하는 전기광학 변조기(163), 이득매질(164), 선형 편광기(165), 에탈론(166), 모드록킹(mode-lock)을 수행하는 음향광학 변조기(167), 및 제2 미러(168)을 포함할 수 있다.
이하에서는, 먼저 공진기(160) 내부에 포함되는 제1 미러(161), 파장판(162), Q-스위칭(Qswitching)을 수행하는 전기광학 변조기(163), 이득매질(164), 선형 편광기(165), 에탈론(166), 모드록킹(mode-lock)을 수행하는 음향광학 변조기(167), 및 제2 미러(168)에 대하여 설명한다.
상기 공진기(160)의 양쪽 끝에는 제1 미러(161)와 제2 미러(168)가 배치될 수 있다. 제1 미러(161)와 제2미러(168)는 공진기 덤핑(cavity dumping) 방식을 구현하기 위하여 모두 99.9% 이상의 반사도를 가지는 전반사경이다.
상기 파장판(162)은 공진기(160) 내부에서 발생하는 펄스의 세기를 조절할 수 있고, 일 실시예에서, λ/4 플레이트가 사용될 수 있다.
상기 이득매질(164)은 펌핑을 통해 밀도반전이 이루어질 수 있는 물질로서, 외부에서 이 물질로 입사해온 광은 증폭 작용을 하여 높은 세기의 광으로 출력된다. 외부에서 펌핑 디바이스로 사용될 수 있는 것은 플래쉬 램프, 아크 램프, 또는 다른 레이저 등이 있다. 이득매질(164)로는 알렉산드라이트(alexandrite) 또는 티타늄(titanium) 도핑된 사파이어 크리스탈(sapphire crystal) 봉(rod), 네오디뮴(neodymium)으로 도핑된 이트륨-알루미늄(yttrium aluminum) 가넷 크리스탈(Nd:YAG crystal) 봉 등이 사용될 수 있다.
예를 들어, 펌프 램프를 사용하여 광을 이득매질(164)에 입사시키면, 이득매질(164)에서 여기된 빛은 광축(150)을 따라 에탈론(166)을 지나 제2 미러(168)에서 반사된다. 다시, 광축(150)을 따라 에탈론(166), 이득매질(164), 전자광학 변조기(163)를 차례로 지난 광은 제1 미러(161)에서 반사된다.
선형 편광기(165)는 공진기(160)에서 발진된 레이저 광이 출력되어 나가게 한다.
모드록킹을 수행하는 음향광학 변조기(167)는 모드록킹 상태를 만들고 파장판(162)과 선형 편광기(165)에 의한 공진기 손실(cavity loss)을 최대로 하여 발진을 막고, 이득매질(164)에 펌핑 에너지가 저장되게 한다.
에탈론(166)은 레이저 광의 펄스폭을 조정하는 역할을 하는데, 일정한 반사율을 갖는 평행 평면판으로서, 통상 유리 또는 수정의 평행 평면판 또는 그 양면에 유전체 다층박막을 증착시켜 반사율을 높인 광학소자이다. 에탈론(166)에 대하여는, 한국 등록특허공보 제10-1682593호의 도 6을 참조하여 보다 상세하게 설명되어 있다.
이하에서는, 공진기로부터 발진되는 레이저 광을 기초로 단일 펄스 레이저 광을 생성하기 위한 제1 포토다이오드(111), 제1 동기화부(112), 제1 지연부(113), 제2 포토다이오드(121), 제2 동기화부(122), 제2 지연부(123), Q-드라이버(130) 및 전원 공급부(140)에 대하여 설명한다.
제1 포토다이오드(111)는 공진기로부터 발진되는 레이저 광을 측정하고, 레이저 광의 측정에 대한 전기신호를 생성하여 제1 동기화부(112)에 입력한다.
상기 제1 동기화부(112)는 제1 포토다이오드(111)로부터 입력 받은 전기신호를 TTL 신호로 변환한다. 그리고 나서, 제1 동기화부(112)는 TTL 신호를 제1 지연부(113)에 입력한다.
상기 제1 지연부(113)는 상기 제1 동기화부(112)로부터 입력 받은 TTL 신호에 지연시간을 설정하여 트리거 TTL 신호를 Q-드라이버(130)로 출력한다.
상기 Q-드라이버(130)는 제1 지연부(113)로부터 특정 지연시간 지연된 트리거 TTL 신호를 입력 받아 Q-스위칭을 수행하는 전기광학 변조기(163)에 전압(V)을 제공하여, 전기광학 변조기(163)가 Q-스위칭을 수행하도록 동작시킨다.
이후 제2 포토다이오드(121)는 공진기로부터 최초로 발진된 Q-스위칭된 펄스를 측정하고, 레이저 광의 측정에 대한 전기신호를 생성하여 제2 동기화부(122)에 입력한다. 상기 공진기로부터 최초로 발진된 Q-스위칭된 펄스란, 상기 Q-드라이버(130)가 Q-스위칭을 수행하도록 동작시키도록 발생한 신호(이하 'Q-스위칭 펄스')에 의해 발생된 레이저 광을 의미한다.
상기 제2 동기화부(122)는 제2 포토다이오드(121)로부터 입력 받은 전기신호를 TTL 신호로 변환한다. 그리고 나서, 제2 동기화부(122)는 TTL 신호를 제2 지연부(123)에 입력한다.
상기 제2 지연부(123)는 상기 제1 동기화부(112)로부터 입력 받은 TTL 신호에 지연시간을 설정하여 트리거 TTL 신호를 Q-드라이버(130)로 출력한다. 상기 지연시간은 Q-스위칭된 펄스들과 공진기 덤핑 타이밍 간의 동기화를 시키기 위한시간이다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 포토다이오드(111)는 상기 공진기(160) 내 제1 미러(161)에 인접한 영역에 위치하고, 상기 제2 포토다이오드(121)는 상기 공진기(160) 내 음향광학 변조기(167)에 인접한 영역에 위치할 수 있다. 추가적으로 상기 제2 포토다이오드(121)는 Q-스위칭된 펄스가 산란될 수 있는 모든 부분에 인접하여 위치할 수 있다. 상기 Q-스위칭된 펄스가 산란될 수 있는 부분은 제1 미러(161), 파장판(162), 전기광학 변조기(163), 이득매질(164), 선형 편광기(165), 에탈론(166), 제2 미러(168)와 인접한 영역 등이다.
또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 본 명세서에 따른 단일 펄스 레이저 장치(100)는 상기 공진기(160)에서 출력된 레이저 광의 펄스폭과 펄스 에너지를 모니터링하여 상기 지연시간을 결정하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 출력되는 레이저 광의 펄스폭이 기설정된 기준보다 작고 펄스 에너지가 기 설정된 기준보다 크게 형성되는 시간을 기초로 지연시간으로 결정할 수 있다. 그리고, 제어부는 결정된 지연시간을 상기 제1 지연부(113) 및 제2 지연부(123)에 제공하고, 상기 제1 지연부(113) 및 제2 지연부(123)는 트리거 TTL 신호에 해당 지연시간을 설정하여 해당 지연시간만큼 지연한 다음 트리거 TTL 신호를 Q-드라이버(130)에 제공할 수 있다. 상기 지연시간은 모드록킹 및 Q-스위칭된 펄스들간의 동기화를 시키기 위하여 제어부를 통하여 결정된다.
또한 제어부는 트리거 TTL 신호가 지속되는 지속시간을 결정할 수 있다.
본 명세서에 따른 단일 펄스 레이저 장치(100)는 상기 이득매질에 에너지를 공급하고, 램프를 펌핑할 때 출력되는 동기화 TTL 신호를 상기 제1 지연부 및 제2 지연부에 입력하는 전원 공급부(140)를 더 포함할 수 있다. 또한, 전원 공급부(140)에서 공급된 전력을 사용하여 램프가 펌핑 되고, 이득매질(164)에 펌핑된 광이 입사되어, 레이저 광을 생성하는데 필요한 에너지가 공급될 수 있다. 또한, 상기 제어부는 상기 사전 발진된 펄스 간의 간격과 Q-스위칭된 펄스의 펄스폭의 관계를 기초로 상기 지연시간을 결정할 수 있다.
도 1을 참조하여, 신호의 흐름을 살펴보면, 제1 포토다이오드(111)가 공진기(160)로부터 발진되는 레이저 광을 측정하여 제1 동기화부(112)에 전기신호를 입력한다. 제1 동기화부(112)는 전기신호를 TTL 신호로 변환하여 제1 지연부(113)에 입력한다. 제1 지연부(113)는 기 설정된 지연시간만큼 지연한 다음 트리거 TTL 신호를 발생시켜, Q-드라이버(130)에 입력한다. 기 설정된 지연시간만큼 지연한 다음 트리거 TTL 신호를 발생시키면, 모드록킹된 펄스와 Q-스위칭된 펄스 간의 정확한 동기화를 시킬 수 있어 Q-스위칭된 펄스 출력이 가능하다.
이후 상기 Q-스위칭 펄스에 의해 발생된 레이저 광을 제2 포토다이오드(121)가 공진기로부터 최초로 발진된 Q-스위칭된 펄스를 측정하여 제2 동기화부(122)에 전기신호를 입력한다. 제2 동기화부(122)는 전기신호를 TTL 신호로 변환하여 제2 지연부(123)에 입력한다. 제2 지연부(123)는 기 설정된 지연시간만큼 지연한 다음 트리거 TTL 신호를 발생시켜, Q-드라이버(130)에 입력한다. 최종적으로 제2 지연부에서 출력된 신호는 Q-스위칭 펄스를 항상 따라다니는 트리거(trigger) 신호이므로, 임의의 시간에 발생하는 펄스에 대해 능동적으로 대체가 가능하다. 즉, 제1 지연부(113)에서 출력된 트리거 신호와 별개의 트리거 신호를 Q-드라이버(130)에 입력하여 공진기 덤핑(cavity dumping)을 발생시킨다. 상기 제2 지연부(123)를 통해 발생한 트리거 신호는 Q-스위칭 펄스에서 에너지가 가장 높을 때 공진기 덤핑(cavity dumping)을 발생시킬 수 있다. 이를 통해 단일 펄스 에너지를 증대시키고, 출력의 안전성을 높일 수 있다.
한편, 제1 지연부(113) 제2 지연부(123)는 전원 공급부(140)로부터, 전원 공급부(140)가 램프를 펌핑할 때 출력되는 동기화 TTL 신호를 입력 받아 Q-드라이버(130)에 트리거 TTL 신호를 입력할 수 있다.
상기 Q-드라이버(130)는 트리거 TTL 신호롤 입력 받아 구동되어 Q-스위칭을 수행하는 전자광학 변조기(163)가 동작하도록 할 수 있다.
도 2는 본 명세서에 따른 트리거 TTL 신호에 따라 Q-스위칭이 수행되는 과정을 도시한 그래프이다.
도 2의 위쪽 그림은 본 명세서에 따른 트리거 TTL 신호에 따라 Q-스위칭과 공진기 덤핑이 일어나는 시간적인 위치를 표현한 그림이다. 공진기에서 발진된 레이저 광을 제1 포토다이오드(111)로 측정하여 제1 동기화부(112)에 입력한다. 이렇게 Trig 1 신호(ta)가 발생하고, 이를 제1 지연부(113)에 인가하여 적절한 시간 지연을 거쳐 Q-스위칭 타이밍인 tA를 결정한다. 이후 발진된 Q-스위칭된 펄스의 레이저 광을 제2 포토다이오드(121)로 측정하여 제2 동기화부(122)에 입력한다. 이렇게 발생한 Trig 2에 제2 지연부(123)를 통해 적절한 시간 지연을 주어 공진기 덤핑 타이밍인 tB를 결정한다.
도 2의 아래 그래프는 위의 내용에서 설명한 Trig 1에 의해 결정된 tA 타이밍에 발생한 Q-스위칭된 펄스를 나타내고 있는 것이다. Trig 2로부터 결정되는 tB에 의해 발생하게 될 단일 펄스를 동시에 표현하기 위해 이를 빨간색 선으로 임의로 표시하였다. 이 그림으로부터 이해할 수 있는 것은 Trig 2가 Q-스위칭된 펄스를 항상 따라다니기 때문에 항상 Q-스위칭된 펄스의 피크(peak)지점에서 공진기 덤핑 타이밍인 tB를 결정할 수 있다는 것이다.
반면, 종래 방식에서는 Trig 1으로부터 일정한 시간 지연을 거쳐 공진기 덤핑 타이밍을 결정하였기 때문에 만약 Q-스위칭된 펄스의 피크(peak)가 항상 시간적으로 동일한 위치에 있지 않게 되면 공진기 덤핑의 효율이 떨어져 결과적으로 단일 펄스의 출력 에너지도 줄어들게 되고, 에너지의 안정성도 떨어지게 된다. 도 2의 아래 그래프는 이를 비교 설명하기 위해 첨부하였다. 도 2의 그래프에서, Q-스위칭된 펄스는 시간적으로 항상 같은 위치에 있지 않으므로 그 peak 지점 또한 항상 시간적으로 같은 위치에 있지 않다.
본 명세서에 따른 단일 펄스 레이저 장치(100)는 상기 레이저 광의 펄스폭을 100 ps ~ 1 ns의 구간에서 조정하는 에탈론(166)을 더 포함할 수 있다. 상기 에탈론(166)은 일정한 반사율을 갖는 평행 평면판으로서, 유리 또는 수정의 평행 평면판 한면 또는 양면에 유전체 다층박막을 증착시켜 반사율을 높인 광학소자이다. 이를 통해 레이저 광이 상기 에탈론을 투과할 때 투과 파장대역을 제한함으로서, 상기 에탈론의 반사율, 두께 및 굴절률에 의해 레이저 광의 펄스폭이 조정될 수 있다.
사전 발진을 한 다음에 출력된 Q-스위칭 및 모드록킹된 펄스의 펄스폭은 에탈론(166)을 사용하여 1ns 이상의 펄스폭까지 조정이 가능하고, 펄스폭 조정을 위하여 여러 가지 두께의 에탈론(166)을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 레이저 광이 에탈론(166)을 투과할 때, 에탈론(166)의 반사율, 두께 및 굴절률에 따라서 레이저광의 투과 파장대역이 제한받게 되고, 이에 따라 펄스폭이 조정된다.
여기서 에탈론(166)의 개수를 조절하여 레이저 광의 펄스폭 조정에서 자유도를 높일 수 있다. 또한 상기 에탈론(166)은 적어도 하나 이상이며, 특성이 다른 에탈론을 공진기의 내부 또는 외부에 선택적으로 사용하여, 레이저광의 펄스폭이 조정될 수 있다. 예를 들어, 의료용 레이저를 위하여 레이저 펄스폭을 100 ps ~ 1 ns의 구간에서 자유롭게 조정할 수 있는 것이 바람직하다.
에탈론(166)이 공진기(160) 바깥(extra-cavity)에 배치된 경우에는, 레이저가 출력되면서 한번만 지나가므로 반사율이 매우 높아야 원하는 펄스폭 형성의 효과를 낼 수 있다. 반면에 에탈론(166)이 공진기(160) 내부(intra-cavity)에 설치된 경우에는, 양면에 유전체 박막이 없는 4% 정도의 작은 반사율을 갖는 단순한 평행판 타입의 에탈론(166)을 사용하여도 레이저가 공진기(160) 내부에서 충분히 왕복하므로 공진기(160) 외부에 설치한 고반사율의 에탈론과 같은 효과를 낼 수 있다. 이를 통하여 치료를 위해 적절한 펄스폭을 선택할 수 있는 이점이 있다.
<실험예>
본 명세서에 따른 단일 펄스 레이저 장치의 효과를 확인하기 위해 종래 단일 펄스 레이저 장치와 비교 실험을 실시하였다.
도 3은 비교 실험 결과 그래프이다.
도 3을 참조하면, 종래 싱글 트리거를 사용한 단일 펄스 레이저 장치에 비해 본 명세서에 따라 더블 트리거를 사용한 단일 펄스 레이저 장치에서 출력된 단일 펄스 에너지의 안정성이 보다 향상된 것을 확인할 수 있다. 또한 불규칙적으로 발생하던 다중 펄스가 억제된 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 단일 펄스 에너지가 향상된 것 역시 확인할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 명세서의 실시예를 설명하였지만, 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 단일 펄스 레이저 장치
111 : 제1 포토다이오드
112 : 제1 동기화부
113 : 제1 지연부
121 : 제2 포토다이오드
122 : 제2 동기화부
123 : 제2 지연부
130 : Q-드라이버
140 : 전원 공급부
150 : 광축
160 : 공진기
161: 제1 미러
162: 파장판
163: 전기광학 변조기
164: 이득매질
165: 선형 편광기
166: 에탈론
167: 음향광학 변조기
168: 제2 미러

Claims (10)

  1. 제1 미러와 제2 미러, 이득매질, 모드록킹 및 Q-스위칭을 각각 수행하는 전기광학 변조기 및 음향광학 변조기를 구비하는 공진기를 포함하는 단일 펄스 레이저 장치에 있어서,
    상기 공진기에서 발진된 레이저 광을 측정하는 제1 포토다이오드;
    상기 제1 포토다이오드에서 출력된 전기신호를 TTL 신호로 변환하는 제1 동기화부;
    상기 제1 동기화부에서 출력된 TTL 신호에, 모드록킹 및 Q-스위칭된 펄스들간의 동기화를 시키기 위하여 결정된 지연시간을 설정하고, 상기 지연시간에 따라 제1 트리거 TTL 신호를 출력하는 제1 지연부;
    상기 공진기에서 최초로 발진된 Q-스위칭된 펄스를 측정하는 제2 포토다이오드;
    상기 제2 포토다이오드에서 출력된 전기신호를 TTL 신호로 변환하는 제2 동기화부;
    상기 제2 동기화부에서 출력된 TTL 신호에, Q-스위칭된 펄스들과 공진기 덤핑 타이밍 간의 동기화를 시키기 위하여 결정된 지연시간을 설정하고, 상기 지연시간에 따라 제2 트리거 TTL 신호를 출력하는 제2 지연부; 및
    상기 제1 트리거 TTL 신호 및 제2 트리거 TTL 신호를, Q-스위칭을 수행하는 전기광학 변조기에 입력하여 동작시키는 Q-드라이버;를 포함하는 단일 펄스 레이저 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 포토다이오드는 상기 공진기 내 제1 미러에 인접한 영역에 위치하고,
    상기 제2 포토다이오드는 상기 공진기 내 음향광학 변조기에 인접한 영역에 위치하는 단일 펄스 레이저 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공진기에서 출력된 레이저 광의 펄스폭과 펄스 에너지를 모니터링하여 상기 지연시간을 결정하는 제어부;를 더 포함하는 단일 펄스 레이저 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 트리거 TTL 신호가 지속되는 지속시간을 결정하는 단일 펄스 레이저 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이득매질에 에너지를 공급하고, 램프를 펌핑할 때 출력되는 동기화 TTL 신호를 상기 제1 지연부 및 제2 지연부에 입력하는 전원 공급부;를 더 포함하는 단일 펄스 레이저 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 모드록킹을 수행하는 음향광학 변조기는 특정 피코초 펄스폭의 레이저 광을 사전 발진시키는 단일 펄스 레이저 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 사전 발진된 펄스 간의 간격과 Q-스위칭된 펄스의 펄스폭의 관계를 기초로 상기 지연시간을 결정하는 단일 펄스 레이저 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광의 펄스폭을 100 ps ~ 1 ns의 구간에서 조정하는 에탈론;을 더 포함하는 단일 펄스 레이저 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 에탈론은 일정한 반사율을 갖는 평행 평면판으로서, 유리 또는 수정의 평행 평면판 한면 또는 양면에 유전체 다층박막을 증착시켜 반사율을 높인 광학소자이고,
    레이저 광이 상기 에탈론을 투과할 때 투과 파장대역을 제한함으로서, 상기 에탈론의 반사율, 두께 및 굴절률에 의해 레이저 광의 펄스폭이 조정되는 단일 펄스 레이저 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 에탈론은
    적어도 하나 이상이며, 특성이 다른 에탈론을 공진기의 내부 또는 외부에 선택적으로 사용하여, 레이저광의 펄스폭이 조정되는 단일 펄스 레이저 장치.
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