KR102044857B1 - 레이저 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Nano초 펄스레이저 와 고출력 Pico초 펄스레이저를 발생시키기 위해서 하나의 공진기로 필요에 따라 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 발생시키는 것으로, 이를 위해서 제1 광 switching 소자(105)와 제2 광 switching 소자(102)를 공진기 내부에 위치시키고, 제1 광 switching 소자(105)와 제2 광switching 소자(102)를 통해서 Nano초 펄스레이저 와 고출력 피코초 펄스레이저를 생성하도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 발생장치{LASER GENERATION DEVICE}

본 발명은 레이저 펄스발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내부 에너지를 저장하였다가 강한 Pulse 형태로 한꺼번에 방출하여 최고출력을 올리는 Q-Switching 기술과 높은 피크 출력을 갖는 피코초 레이저펄스의 발생에 관한 기술이다.

본 발명은 의료용 치료 분야에서 나노초 펄스레이저 와 고출력의 피코초펄스 레이저에 의해 주위조직에 손상을 주지 않으며 미세 치료가 가능하도록 한 것에 관한 것이다. 피부 치료에서 고출력 피코초펄스 레이저는 열 이완시간 이내의 짧은 펄스를 조직에 전달할 수 있으므로, 레이저에 의한 색소 병변은 색소에 대한 흡수율이 물에 대한 흡수율보다 상대적으로 낮은 관계로 높은 출력을 요구하는 것을 해결하여 기존 나노초 단위의 레이저에 비해 본 발명의 고출력의 피코초펄스 레이저에 의해서 색소 입자들을 효율적으로 파괴 또는 붕괴시킬 수 있으므로 문신제거 및 기미 등의 색소 병변에 치료효과가 우수하다고 볼 수 있다. 상기 고출력 피코초 펄스 레이저는 수십~수백 picosecond 의 극초단 펄스 지속 시간 및 높은 펄스당 피크 출력을 구현하여 레이저 에너지를 생성하는 것을 말한다.

레이저를 짧은 펄스형태로 발진하는 방식은 크게 두 가지 방식으로 분류된다.

Q-스위칭(Q-switching) 방식과 모드 락킹(mode-locking) 방식으로 나뉜다. 이 방식들을 구현하기 위한 여러 방법이 개발되었다. 공진기 내부에 능동 진폭변조 또는 주파수 변조(active amplitude or frequency modulation)방법, 포화 흡수체(saturable absorbor)를 통한 수동 변조방법, 동기 이득 변조(synchronous gain modulation) 방법 등이 있다. 이 방법들은 필요한 목적에 따라 Q-스위칭 방식에, 때로는 모드 락킹 방식에 사용된다. 일반적으로 Q-스위칭 방식은 펄스당 높은 에너지를 얻기 위해 유리하며, 모드 락킹 방식은 짧은 펄스의 높은 첨두출력을 얻기에 유리하다. 그래서 피코초 레이저펄스의 발전 역사는 바로 이 모드 락킹 방식의 발전과 일치한다.

능동형은 출력을 안정화하는 전자 회로 구성 등 전체적인 시스템이 복잡하고, 장시간 안정적인 모드 락킹 발진에 어려움이 있다. 반면 수동형 방식은 포화 흡수체를 사용하므로 모드 락킹 제어에 어려움이 있다. 피코초 영역의 펄스를 구현하기 위해서는 전통적으로 모드락킹(Mode-Locking) 기술이 주로 사용되고 있으나 이 기술로 생성할 수 있는 출력은 수십mJ 정도 이며, 의료분야의 색소치료용으로 사용되기 위해서는 최소 ~수백mJ의 출력이 필요하다.

수백mJ급의 출력을 발생하는 피코초펄스 생성기술은 최소 2~3가지 정도의 펄스생성기술이 필요하다. Q-스위칭과 모드락킹을 이용한 방법이나 Q-스위칭과 케비티 덤핑(Cavity Dumping) 또는 펄스 슬라이싱(Pulse Slicing)등을 조합한 능동제어 스위칭기술과 유도 브릴루안 산란(Stimulated Brillouin Scattering, SBS)와 같은 수동제어 압축기술을 이용하면 고출력의 피코초 영역의 펄스를 생성할 수 있다. 상기와 같은 피코초 펄스레이저장치에 관한 선행기술로는 출원특허 제10-2015-0115349 및 10-2007-0133032가 공지 되어 있다.

기존의 Nano초 펄스레이저로 시술이 어려운 병변에는 별도의 Pico초 펄스레이저를 사용하여 추가 시술을 하여야 할 필요성이 대두되고 있으며 이 경우 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저장비 2대를 별도로 운용하기에는 불편한 상황임, 대안으로 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저 2종류의 공진기를 하나의 장비에 탑재 할 경우는 장비가 대형화가 되어 실제 제품화 에는 많은 어려움이 있다. 따라서 Nano초 펄스레이저 와 고출력 Pico초 펄스레이저를 발생시키며 이를 복합하여 순차적으로 조사하거나 교차하여 조사 할 수 있도록 하고자 함

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 레이저 발생 장치는 레이저를 발생시키기 위한 레이저 이득 매질; 나노초 펄스 레이저를 만들기 위한 제 1 광스위칭소자; 고출력 피코초 펄스 레이저를 만들기 위한 제2 광스위칭소자를 포함하고, 상기 레이저 이득 매질의 제 1 측에 편광기, 상기 제 1 광스위칭 소자, 파장판 및 공진기 거울이 순차로 설치되고, 상기 레이저 이득 매질의 제 2 측에 제 2 광스위칭 소자 및 공진기 거울이 순차로 설치되고, 상기 나노초 펄스 레이저 및 피코초 펄스 레이저는 상기 편광기를 통해 방출되며, 피코초 펄스 레이저 출력시, T1 시점에 상기 제 1 광스위치소자에 Q1 트리거 펄스를 인가하는 것에 의해 T3 시점에 Q-스위칭 광펄스가 출현되게 하고, 상기 T1 시점 후이고 상기 레이저 Q-스위칭 광펄스가 출현하기 전인 T2 시점에 상기 제 2 광스위치소자에 Q2 트리거 펄스를 인가하여 Q-스위칭 광펄스가 생성되는 시점(T3)에서 추출하고자 하는 피코초 펄스 시간 만큼의 시간 동안 Q-스위칭 광펄스가 공진기에 인가되도록 하고, 상기 피코초 펄스 시간 만큼의 시간 동안 자체 주입된 Q-스위칭 광펄스가 공진기에서 광증폭을 일으키고 기 설정된 시간(Δt3)이 경과한 시점인 T4에 광스위칭 소자에 펄스를 인가하여 피코초 펄스 레이저를 추출하고, 피코초 펄스 레이저와 나노초 펄스 레이저를 교차하면서 조사하거나, 순차적으로 조사하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 하나의 공진기로 일체화 함으로서 Simple하고 Compact한 장비가 되며, 필요에 따라 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 발생 시킬수 있는 장점이 있다, 실예로 피코초 펄스레이저에 의한 색소병변의 치료에서, 색소병변은 색소에 대한 흡수율이 물에 대한 흡수율보다 상대적으로 낮은 관계로 높은 출력을 요구하는 것을 해결하여 기존 나노초 단위의 레이저 시술에 더하여 본 발명의 고출력의 피코초 펄스레이저에 의해서 색소입자들을 효율적으로 파괴 또는 붕괴 시킬수 있으므로 문신제거 및 기미 등의 색소병변에 치료효과가 우수하다.

도1은 본발명의 고출력 피코초 펄스레이저 생성장치의 개략도이다.
도2는 본발명의 고출력 피코초 펄스레이저의 큐스위치 구동신호 흐름에 관한 도면이다.
도3은 기존의 나노초 펄스레이저 생성장치의 개략도 이다.
도4는 기존의 나노초 큐스위치 구동펄스 파형
도5는 나노초 펄스레이저와 피코초 펄스레이저를 복합하여 조사하는 Time Chart

도1은 본 발명의 피코초 펄스레이저 생성장치의 개략도로서, 펌핑광원으로 레이저이득매질(103)을 펌핑하면 일정시간 경과 후에 레이저가 발진하게 된다. 상기 발진된 레이저는 수백피코초 또는 서브나노초(sub-nanosecond)급 펄스를 갖는 광펄스를 생성하기 위해서 제1 광switching 소자(105)와 제2 광switching 소자(102)를 공진기내부에 위치시키고, 제1 광switching 소자(105)에 Q-스위칭 Trigger 펄스를 인가하고, 일정시간 경과후 제1 광switching 소자(105)의 광 스위칭작용에 의해서 제1레이저 Q-스위칭광 펄스가 생성 되기전에 제2 광switching 소자(102)에 Q-스위칭 Trigger펄스를 인가하고, 일정시간 경과후 제1 광switching 소자(105)에 의해서 생성된 제1 Q-스위칭광펄스가 생성되는 시점에서 제2 광switching소자(102)에 의해서 추출하고자 하는 피코초 펄스시간 만큼의 시간을 제2 Q-스위칭신호의 펄스로 인가되면 공진기에서 자체주입 광증폭을 일으키고, 광증폭의 최대치가 되는 시간 후에 또 한번 펄스를 제2 광스위칭소자에 인가하여 피코초광펄스를 추출한다. 상기 생성된 피코초 광펄스의 출력은 편광기(104)를 통해 방출된다. 공진기거울(101,107)의 어느 하나는 전반사 또다른 하나는 부분반사 코팅을 하여 부분반사 코팅된 거울을 통해 일부 광이 방출되도록 한다.

도2는 본 발명의 큐스위치 구동신호 흐름에 관한 도면으로서, 기존 Q-스위칭방법은 Q-Trigger신호후 일정시간이 지난후(Laser Build up Time) 높은 첨두출력을 갖는 수나노초에서 수십나노초의 펄스를 생성한다. 수백피코초 또는 서브나노초(sub-nanosecond)급 펄스를 갖는 광펄스를 생성하기 위해 광switching 소자에 Q-스위칭Trigger 펄스를 인가하고(T1) 일정시간 경과후(ΔΔt1) 레이저 Q-스위칭 광펄스가 출현하기 전에 두번째 Q-스위칭 Trigger펄스를 인가하고(T2) 일정시간 경과후(ΔΔt2) Q-스위칭 광펄스가 생성되는 시점(T3)에서 광 스위칭 소자에 추출하고자 하는 피코초펄스시간 만큼의 시간 Q-스위칭신호의 펄스가 인가되면 공진기에서 자체주입 광증폭을 일으키고 일정시간후(ΔΔt3)에 또한번 펄스를 광 스위칭소자에 인가하여 피코초광펄스를 추출하는 원리이다.

도3은 제1 광 switching 소자(105)의 광 스위칭작용에 의해서 제1 레이저 Q-스위칭 광펄스를 생성하는 개략도로 도4에서와 같이 Q-Trigger 신호후 Q-스위칭펄스가 생성되게 된다. 전술한 제1 광 switching 소자(105)와 제2 광 switching 소자(102)는 전기광학적 Q-스위칭에 사용되는 Crystal로 마치 Shutter와 같은 역할을 하는 것으로 일반적인 작동 메커니즘으로 전기광학적 Q-스위칭소자에 전원이 off 인 경우 레이저광을 그냥 통과 시키고 전원이 on 인 경우는 전기광학적 Q-스위칭이 되게 한다. 이를 상세히 설명하면 제1 광 switching 소자(105)의 전원이 on 이고 제2 광 스위칭 소자(102)의 전원이 off 상태에서는 Nano초의 Pulse Laser가 발생하고, 제1 광 switching 소자(105)의 전원이 on 이고 제2 광 switching 소자(102)의 전원이 on 상태에서는 Pico초의 Pulse Laser가 발생하게 된다.

본 발명에서는 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 하나의 공진기로 일체화 하며, 광 switching 소자 만을 추가 함으로서 Simple하고 Compact한 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 발생시키는 복합 장비가 되어, 필요에 따라 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 발생 시킬수 있게 된다. 본 발명을 위해 공진기의 광 switching 소자는 1개 또는 2개를 사용할수 있고, Q-스위칭 시퀀스 설계에 따라서 변경될수 있다.

도5에서는 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 일체화 한 장비에 있어서 실제로 이를 이용하여 도5 (a)에서와 같이 Pico초 펄스레이저를 연속으로 조사하다가 Nano초 펄스레이저를 연속으로 조사 하거나 또는 (b)에서와 같이 Pico초 펄스레이저 와 Nano초 펄스레이저를 교차하면서 조사하는 등 다양한 mode로 combination하여 시술효과를 기대할 수 있다. 이때 Nano초 펄스의 duration은 통상 40 nano-second 이하이고 Pico초 펄스의 duration은 900 pico-second 이하이다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

101 : 공진기거울 102 : 제2 광Switching소자
103 : 레이저 이득매질 104 : 편광기
105 : 제1 광Switching소자 106 : 파장판
107 : 공진기거울 108 : 제1 광Switching소자에 가해지는 신호
109 : 실제 발생되는 Pulse 전압

Claims (3)

1. 레이저발생장치에서, 레이저를 발생시키기 위한 레이저 이득 매질;
   나노초 펄스 레이저를 만들기 위한 제 1 광스위칭소자;
   고출력 피코초 펄스 레이저를 만들기 위한 제2 광스위칭소자를 포함하고,
   상기 레이저 이득 매질의 제 1 측에 편광기, 상기 제 1 광스위칭 소자, 파장판 및 공진기 거울이 순차로 설치되고,
   상기 레이저 이득 매질의 제 2 측에 상기 제 2 광스위칭 소자 및 공진기 거울이 순차로 설치되고,
   상기 나노초 펄스 레이저 및 피코초 펄스 레이저는 상기 편광기를 통해 방출되며,
   피코초 펄스 레이저 출력시,
   T1 시점에 상기 제 1 광스위치소자에 Q1 트리거 펄스를 인가하는 것에 의해 T3 시점에 Q-스위칭 광펄스가 출현되게 하고,
   상기 T1 시점 후이고 상기 Q-스위칭 광펄스가 출현하기 전인 T2 시점에 상기 제 2 광스위치소자에 Q2 트리거 펄스를 인가하여 Q-스위칭 광펄스가 생성되는 시점(T3)에서 추출하고자 하는 피코초 펄스 시간 만큼의 시간 동안 Q-스위칭 광펄스가 공진기에 인가되도록 하고,
   상기 피코초 펄스 시간 만큼의 시간 동안 자체 주입된 Q-스위칭 광펄스가 공진기에서 광증폭을 일으키고 기 설정된 시간(Δt3)이 경과한 시점인 T4에 상기 제 2 광스위칭 소자에 펄스를 인가하여 피코초 펄스 레이저를 추출하고,
   피코초 펄스 레이저와 나노초 펄스 레이저를 교차하면서 조사하거나, 순차적으로 조사하는 것을 특징으로 하는 레이저 발생 장치.
   
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