KR102044860B1 - Laser generation device - Google Patents
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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 광switching 소자(105)와 제2 광switching 소자(102)를 공진기 내부에 위치시키고, 제1 광switching소 자(105)와 제2 광switching 소자(102)를 통해서 Nano초 펄스레이저 와 고출력 피코초 펄스레이저를 생성하도록 하는 것을 특징으로 한다.The present invention generates a nanosecond pulsed laser and a Picosecond pulsed laser as needed to generate a nanosecond pulsed laser and a high output Picosecond pulsed laser. The first optical switching device 105 and 2 places the optical switching element 102 inside the resonator, and generates a nanosecond pulsed laser and a high output picosecond pulsed laser through the first optical switching element 105 and the second optical switching element 102. It is done.
Description
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.
The present invention relates to a laser pulse generator, and more particularly, to the generation of picosecond laser pulses having a high peak output and a Q-switching technique for storing internal energy and releasing them in a strong pulse form to increase the maximum output. Technology.
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.The present invention relates to a nanosecond pulsed laser and a high power picosecond pulse laser in the medical treatment field without damaging surrounding tissues and enabling micro-treatment. In skin treatment, high-power picosecond pulsed lasers can deliver short pulses within the thermal relaxation time to tissues, which suggests that pigment lesions caused by lasers require high power as the absorption of pigments is relatively lower than the absorption of water. As a result, the pigment particles can be efficiently destroyed or disintegrated by the high-power picosecond pulse laser of the present invention, compared to the conventional nanosecond laser, and thus, the treatment effect is excellent in pigmented lesions such as tattoo removal and blemishes. The high power picosecond pulse laser refers to the generation of laser energy by implementing ultrashort pulse durations and high peak power per pulse of several tens to hundreds of picoseconds.
레이저를 짧은 펄스형태로 발진하는 방식은 크게 두 가지 방식으로 분류된다. The method of oscillating a laser in the form of a short pulse is classified into two methods.
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 첨두전력을 얻기에 유리하다. 그래서 피코초 레이저펄스의 발전 역사는 바로 이 모드 락킹 방식의 발전과 일치한다.It is divided into Q-switching method and mode-locking method. Several methods have been developed to implement these approaches. An active amplitude or frequency modulation method, a passive modulation method through a saturable absorber, a synchronous gain modulation method, and the like are included in the resonator. These methods are used for Q-switching and sometimes mode locking depending on the purpose required. In general, the Q-switching scheme is advantageous for obtaining high energy per pulse, and the mode locking scheme is advantageous for obtaining high peak power of short pulses. Thus, the development history of picosecond laser pulses coincides with the development of this mode locking method.
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. Active type is complicated overall system such as electronic circuit configuration to stabilize the output, and there is a difficulty in stable mode locking oscillation for a long time. On the other hand, the passive type uses a saturated absorber, which makes it difficult to control the mode locking. The mode-locking technique is traditionally used to realize the pulse of the picosecond region, but the output that can be generated by this technique is about tens of mJ, and at least several hundreds to be used for pigment treatment in medical fields. I need the output of mJ.
수백mJ급의 출력을 하는 피코초펄스 발생하는 피코초펄스 생성기술은 최소 2~3가지 정도의 펄스생성기술이 필요하다. 큐스위칭과 모드락킹을 이용한 방법이나 큐스위칭과 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.
Picosecond pulse generation technology that generates hundreds of mJ output power requires at least 2-3 pulse generation techniques. Manual control, such as active control switching technology and inductive Brillouin Scattering (SBS), which combines cue switching and mode locking, or combines cue switching and cavity dumping or pulse slicing. Compression techniques can be used to generate high-power picosecond pulses. Prior arts related to such picosecond pulsed laser devices are known in the patent applications 10-2015-0115349 and 10-2007-0133032.
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 발생시키기 위해서 하나의 공진기로 필요에 따라 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 발생시키고자 한다.
It is inconvenient to perform additional procedures using separate Picosecond pulsed laser on lesions that are difficult to operate with conventional Nanosecond pulsed laser. In this case, it is inconvenient to operate Nanosecond pulsed laser and Picosecond pulsed laser equipment separately. As an alternative, if two kinds of resonators, nanosecond pulsed laser and picosecond pulsed laser, are installed in a single device, the equipment becomes large and there are many difficulties in actual production. Therefore, in order to generate nanosecond pulsed laser and high output Picosecond pulsed laser, we want to generate nanosecond pulsed laser and Picosecond pulsed laser as needed with one resonator.
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 추출하는 것을 특징으로 한다.
Laser generating apparatus according to an embodiment of the present invention comprises a laser gain medium for generating a laser; A first optical switching element for making a nanosecond pulsed laser; A second optical switching element for making a high power picosecond pulsed laser, wherein a polarizer, said first optical switching element, a wave plate and a resonator mirror are sequentially installed on a first side of said laser gain medium, and said laser gain medium On the second side of the second optical switching element and the resonator mirror are sequentially installed, the nanosecond pulsed laser and picosecond pulsed laser are emitted through the polarizer, and when the picosecond pulsed laser output, the first light at time T1 Applying a Q1 trigger pulse to the switch element causes a Q-switching optical pulse to appear at time T3, and at the time T2 after the time T1 and before the laser Q-switching optical pulse appears, to the second optical switch element. The Q-switching optical pulse is processed for a time equal to the picosecond pulse time to be extracted at the time T3 at which the Q-switching optical pulse is generated by applying the Q2 trigger pulse. A pulse is applied to the optical switching element at a time point T4 at which the Q-switching optical pulses which are self-injected for a time equal to the picosecond pulse time cause an optical amplification in the resonator and a preset time Δt3 elapses. It is characterized by extracting the picosecond pulse laser.
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.
In the present invention, the nanosecond pulsed laser and the Picosecond pulsed laser are integrated into a single resonator, thereby providing a simple and compact equipment, and the nanosecond pulsed laser and the picosecond pulsed laser can be generated as needed. In the treatment of pigmented lesions by ultra-pulse lasers, pigmented lesions solved the need for high power as the absorption rate of the pigment is relatively lower than the absorption rate of water, thereby adding the high power of the present invention in addition to the conventional nanosecond laser treatment. Picosecond pulsed laser can effectively destroy or disintegrate the pigment particles, so it is excellent in the treatment of pigmented lesions such as tattoo removal and blemishes.
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 파형1 is a schematic diagram of a high power picosecond pulsed laser generation device of the present invention.
2 is a diagram of a cue switch driving signal flow of a high power picosecond pulsed laser of the present invention.
3 is a schematic diagram of a conventional nanosecond pulsed laser generator.
Figure 4 is a conventional nanosecond cue switch driving pulse waveform
도1은 본 발명의 피코초 펄스레이저 생성장치의 개략도로서, 펌핑광원으로 레이저이득매질(103)을 펌핑하면 일정시간 경과 후에 레이저가 발진하게 된다. 레이저이득매질로는 일반적으로 Nd:YAG, Ruby, Alexandrite, Erbium, Co2 등이 흔히 사용된다. 비선형결정체로는 인 칼륨 디 하이드로 인산염(KDP)과 인산 칼륨 인산 칼륨(DKDP) 결정이 사용되며 이는 선형 전기광학효과를 이용하여 진행하는 빛의 편광의 방향을 바꾸어주는 역할을 한다. 본 발명에서는 광 switching 소자(102,105)로 비선형 결정체인 전기광학 효과에 의한 광편향기 DKDP를 사용한다.1 is a schematic diagram of a picosecond pulsed laser generating apparatus of the present invention, when the
상기 발진된 레이저는 수백피코초 또는 서브나노초(sub-nanosecond)급 펄스를 갖는 광펄스를 생성하기 위해서 제1 광switching소자(105)와 제2 광switching소자(102)를 공진기내부에 위치시키고, 제1 광switching소자(105)에 Q-스위칭 Trigger펄스를 인가하고, 일정시간 경과후 제1 광switching소자(105)의 광스위칭작용에 의해서 제1레이저 Q-스위칭광펄스가 생성 되기전에 제2 광switching소자(102)에 Q-스위칭 Trigger펄스를 인가하고, 일정시간 경과후 제1 광switching소자(105)에 의해서 생성된 제1 Q-스위칭광펄스가 생성되는 시점에서 제2 광switching소자(102)에 의해서 추출하고자 하는 피코초펄스시간 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.The oscillated laser places the first
도2는 본 발명의 Q-스위치 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 광switching소자에 Q-스위칭Trigger펄스를 인가하고(T1) 일정시간 경과후(ΔΔt1) 레이저 Q-스위칭 광펄스가 출현하기 전에 두번째 Q-스위칭 Trigger펄스를 인가하고(T2) 일정시간 경과후(ΔΔt2) Q-스위칭광펄스가 생성되는 시점(T3)에서 광스위칭소자에 추출하고자 하는 피코초펄스시간 만큼의시간 Q-스위칭신호의 펄스가 인가되면 공진기에서 자체주입 광증폭을 일으키고 일정시간후(ΔΔt3)에 또한번 펄스를 광스위칭소자에 인가하여 피코초광펄스를 추출하는 원리이다. Figure 2 is a diagram of the flow of the Q-switch drive signal of the present invention, the conventional Q-switching method is a number of nanoseconds to tens of nanoseconds having a high peak output after a certain time after the Q-Trigger signal (Laser Build up Time) Generate a pulse. To generate an optical pulse with hundreds of picoseconds or sub-nanosecond pulses, a Q-switching trigger pulse was applied to the optical switching device (T1) and after a certain time (ΔΔt1), the laser Q-switching optical pulse Before the appearance, the second Q-switching trigger pulse is applied (T2) and after a certain time (ΔΔt2), the time Q- as much as the picosecond pulse time to be extracted to the optical switching element at the time point T3 at which the Q-switching optical pulse is generated (T3). When a pulse of the switching signal is applied, the resonator causes self-injected optical amplification, and after a predetermined time (ΔΔt3), another pulse is applied to the optical switching device to extract picosecond pulses.
도3은 제1 광switching소자(105)의 광스위칭작용에 의해서 제1 레이저 Q-스위칭 광펄스를 생성하는 개략도로 도4에서와 같이 Q-Trigger 신호후 Q-스위칭펄스가 생성되게 된다. 전술한 제1 광switching 소자(105)와 제2 광switching 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 광switching소자(105)의 전원이 on 이고 제2 광스위칭소자(102)의 전원이 off 상태에서는 Nano초의 Pulse Laser가 발생하고, 제1 광switching 소자(105)의 전원이 on 이고 제2 광switching 소자(102)의 전원이 on 상태에서는 Pico초의 Pulse Laser가 발생하게 된다. FIG. 3 is a schematic diagram of generating a first laser Q-switching optical pulse by the optical switching action of the first
본 발명에서는 Nano초 펄스레이저와 Pico초 펄스레이저를 하나의 공진기로 일체화 하며, 광switching 소자 만 추가 함으로서 Simple하고 Compact한 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 발생시키는 복합 장비가 되어, 필요에 따라 Nano초 펄스레이저와 Pico초 펄스레이저를 발생 시킬수 있게 된다. 본 발명을 위해 공진기의 광switching 소자는 1개 또는 2개를 사용할수 있고, Q-스위칭 시퀀스 설계에 따라서 변경될수 있다.In the present invention, the nanosecond pulsed laser and the picosecond pulsed laser are integrated into one resonator, and by adding only an optical switching element, it becomes a complex equipment for generating a simple and compact nanosecond pulsed laser and the picosecond pulsed laser, Nanosecond pulsed laser and Picosecond pulsed laser can be generated. For the present invention, one or two optical switching elements of the resonator may be used and may be changed depending on the Q-switching sequence design.
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.
Although the above has been described with reference to the embodiments of the present invention, various changes and modifications can be made at the level of those skilled in the art. Such changes and modifications can be said to belong to the present invention without departing from the scope of the technical idea provided by the present invention. Therefore, the scope of the present invention will be determined by the claims described below.
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 전압101: resonator mirror 102: second optical switching device
103: laser gain medium 104: polarizer
105: first optical switching element 106: wave plate
107: resonator mirror 108: signal applied to the first optical switching element
109: Actually generated pulse voltage
Claims (8)
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 광스위치소자에 펄스를 인가하여 피코초 펄스 레이저를 추출하는 것을 특징으로 하는 레이저 발생 장치.
In a laser generator, a laser gain medium for generating a laser;
A first optical switching element for making a nanosecond pulsed laser;
A second optical switching element for making a high power picosecond pulsed laser,
On the first side of the laser gain medium, a polarizer, the first optical switching element, a wave plate and a resonator mirror are sequentially installed,
The second optical switching element and the resonator mirror are sequentially installed on the second side of the laser gain medium,
The nanosecond pulsed laser and picosecond pulsed laser are emitted through the polarizer
At picosecond pulsed laser output,
By applying a Q1 trigger pulse to the first optical switch element at time T1, a Q-switching optical pulse appears at time T3,
A picosecond pulse to be extracted at a time point T3 at which a Q-switching light pulse is generated by applying a Q2 trigger pulse to the second optical switch element at a time point T2 after the time point T1 and before the appearance of the Q-switching light pulse. Allow the Q-switching light pulse to be applied to the resonator for as long as
Q-switched optical pulses which are self-injected for the same time as the picosecond pulse time cause optical amplification in the resonator, and a pulse is applied to the second optical switch element at T4 at a time point when a predetermined time Δt3 elapses. A laser generator, characterized in that for extracting a pulsed laser.
제1 광스위칭소자 및 제2 광스위칭소자는 DKDP인 것을 특징으로하는 레이저 발생장치
In claim 1,
And the first optical switching element and the second optical switching element are DKDP.
레이저이득매질로 Nd:YAG / Ruby / Alexandrite / Erbium / Co2 를 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 발생장치
In claim 1,
Laser generator characterized in that Nd: YAG / Ruby / Alexandrite / Erbium / Co2 is used as the laser gain medium
레이저이득매질을 펌핑하기 위하여 레이저 또는 아크램프중 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 발생장치
In claim 1,
Laser generating apparatus using either laser or arc lamp to pump laser gain medium
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