KR102627248B1 - Q-스위치드 캐비티 덤핑 서브 나노초 레이저 - Google Patents

Q-스위치드 캐비티 덤핑 서브 나노초 레이저 Download PDF

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싸이노슈어, 엘엘씨
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Abstract

자연적으로 발생하는 것(예를 들어, 모반들)뿐만 아니라 인공물(예를 들어, 문신들) 모두인 피부 색소 침착들 및 색소 착색된 병변들의 광기계적 치료를 위한 충분히 짧은 지속기간 및/또는 충분히 높은 에너지를 포함하는 원하는 펄스 특성들을 갖는 레이저 에너지를 인가하기 위한 장치들 및 방법들이 개시된다. 레이저 에너지는 서브 나노초 왕복 시간을 갖는 공진기를 갖는 장치를 이용하여 발생될 수 있다.

Description

Q-스위치드 캐비티 덤핑 서브 나노초 레이저
관련 출원 데이터
본 출원은 2018년 2월 26일자로 출원된 U.S. 특허 출원 번호 62/635,174 및 2018년 4월 6일자로 출원된 U.S. 특허 출원 번호 62/653,767에 대한 우선권을 주장하며, 이들 특허 출원 각각은 모든 목적을 위해 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
분야
본 개시내용은 짧은 펄스 지속기간(예를 들어, 약 1 나노초 미만) 및 펄스 당 높은 에너지 출력(예를 들어, 약 100 밀리주울 초과)을 갖는 레이저 에너지를 전달하기 위한 장치들 및 방법들에 관한 것이다. 원하는 동작 파라미터들은 서브 나노초 범위의 출력 펄스 지속기간을 생성하기 위해 서브 나노초 왕복 시간(round trip time)을 갖도록 설계된 레이저 캐비티를 포함하는 레이저 구성에 의해 부분적으로 달성된다. 레이저 구성은 또한 Q-스위칭 특징 및 캐비티 덤핑 특징을 포함한다. 결과적으로, 예를 들어, 인체에 문신들로서 삽입된 것들과 같은 색소 입자들을 치료하고 제거하는 미용 및 의료 애플리케이션들을 비롯한 다수의 애플리케이션에 적합한 레이저 에너지는 비교적 간단한 장치를 이용하여 발생될 수 있다.
레이저들은 상대적으로 단색이고 일관적인 (즉, 발산이 거의 없는) 제어 가능한 방사선들의 소스들로 인식된다. 레이저 에너지는 통신, 데이터 저장 및 검색, 엔터테인먼트, 연구 및 다른 많은 것들과 같은 다양한 분야에서 그 수가 계속 늘어나는 영역들에서 응용된다. 의료 분야에서, 레이저들은 정밀한 고 에너지 방사선 빔이 국소 가열을 유발하고 궁극적으로 원하지 않는 조직들을 파괴하는 수술 및 미용 시술들에 유용한 것으로 입증되었다.
선택적 광열분해(selective photothermolysis)의 원리는 다리 정맥들, 포트와인 얼룩 모반들 및 다른 확장성 혈관, 및 색소 착색된 병변들과 같은 다양한 피부과적 문제들을 치료하는 많은 통상적인 의료 레이저 요법들의 기초가 된다. 타겟팅된 구조들을 포함하는 진피 및 표피 층들은 이들 구조에서 우선적으로 또는 선택적으로 흡수되는 파장을 갖는 레이저 에너지에 노출된다. 이로 인해 구성 단백질들을 변성시키거나 색소 입자들을 흩어지게 하는 온도(예를 들어, 약 70 ℃ 이상)로 국부 가열을 일으킨다. 이렇게 변성되거나 흩어지게 하는 데 사용되는 플루언스(fluence) 또는 단위 면적당 에너지는 일반적으로, 흡수된 레이저 에너지의 상당 부분이 확산으로 손실되기 전에, 원하는 타겟팅된 조직 온도를 달성하는 데 필요한 양에 기초한다. 그러나 타겟팅된 영역 주변의 조직들이 변성되는 것을 방지하기 위해 플루언스는 제한되어야 한다.
플루언스 외에도, 펄스 지속기간 및 펄스 강도는 펄스 동안 레이저 에너지가 주변 조직들로 확산되는 정도에 영향을 미칠 수 있고 및/또는 원하지 않는 국소 증발을 유발한다. 사용되는 레이저 에너지의 펄스 지속기간의 측면에서, 통상의 접근법들은 최적의 가열을 달성하기 위해, 이러한 값을 타겟팅된 구조들의 열 완화 시간 미만으로 유지하는 데 초점을 맞추었다. 예를 들어, 포트와인 얼룩 모반들에 내포된 작은 혈관들의 경우, 열 완화 시간들과 이에 따른 대응하는 치료 방사선의 펄스 지속기간들은 보통 수백 마이크로 초 내지 수 밀리 초 정도이다.
그러나 심지어 더 짧은 펄스들을 사용하면 광 열분해로부터 광기계적 프로세스들로 바뀌는 결과를 가져온다. 후자의 메커니즘은 타겟팅된 입자들을 통해 음파의 음향 주행 시간(acoustic transit time) 미만의 지속기간을 갖는 레이저 펄스들을 적용함으로써 적용된다. 이것은 열 완화 시간 미만의 지속기간을 갖는 레이저 펄스들에 의해 조사된 타겟 내에 열의 누적과 유사한 방식으로 압력이 입자들에 축적되게 한다.
위에서 설명된 광기계적 프로세스들은 문신들, 포트와인 얼룩들 및 다른 모반들을 비롯한 피부 색소 침착들을 치료하는 분야에서 유용하다. 안정적인 문신들은 하나의 양태에서 1 내지 4 마이크로미터 정도의 예시적인 직경들을 갖는 색소 입자들로 구성될 가능성이 있다. 하나의 예시적인 양태에 따르면, 각 입자는 20 내지 400 나노미터 정도의 직경들을 갖는 하위 입자들을 포함한다. 하나의 예시적인 양태에 따르면, 각 입자는 40 내지 100 나노미터 정도의 직경들을 갖는 하위 입자들을 포함한다. 많은 고체 매체에서 음속은 대략 3000 미터/초이므로, 이러한 입자들을 횡단하는 음향 주행 시간 및 그 결과로 입자들의 광기계적 파괴를 달성하는 데 필요한 레이저 펄스 지속기간은 수백 피코초 정도로 낮다. 입자에서 음파의 음향 주행 시간은 입자의 반경을 입자에서의 음속으로 나눔으로써 계산된다.
이러한 짧은 펄스 지속기간들 외에도, 문신 색소 입자들 및 다른 색소 침착들을 상당히 파괴하기 위해서는 높은 에너지 레이저 펄스들이 필요하다. 평방 센티미터 당 수 주울의 필요로 하는 플루언스 및 수 밀리미터 직경의 치료 스폿 크기들은 펄스 당 수백 밀리 주울(mJ) 이상의 원하는 레이저 출력으로 변환된다. 불행히도, 그러한 짧은 펄스 지속기간과 높은 에너지 출력이 가능한 현재 시스템들은 문신들 및 다른 색소 침착들의 치료 또는 제거에 실제 사용하기에는 너무 복잡하고 및/또는 비용이 많이들 수 있다. 이러한 디바이스들은 일반적으로 다수의 전기-광학 및/또는 음향-광학 디바이스들과 함께 둘 이상의 레이저 및 증폭기 단을 필요로 한다.
그 결과, 관련 기술 분야에서는 레이저 광을 피코초 펄스 범위에서 발생시킬 수 있는, 복잡성이 비교적 낮고 미용 또는 의료 애플리케이션들에서의 사용을 제공하기에 충분히 높은 에너지들을 갖는 레이저 장치들이 필요하다.
본 개시내용의 실시양태들은 서브 나노초 펄스 지속기간을 갖는 레이저 광을 발생시키는데 사용되는 서브 나노초 캐비티 왕복 시간을 생성하기에 적합한 치수들을 갖는 레이저 발진기를 포함하는 레이저 구성 또는 레이저 설계 또는 레이저 시스템에 관한 것이다. 예시적인 레이저 구성들은 또한 펄스 당 수백 mJ 이상 정도의 펄스 에너지들을 발생시킨다. 대표적인 레이저 구성들은 Q-스위칭 특징(Q-switching feature)을 포함한다. 대표적인 레이저 구성들은 캐비티 덤핑 특징(cavity dumping feature)을 포함한다. 하나의 양태에 따르면, 본 명세서에 설명된 레이저 구성들은 다수의 실제 애플리케이션에 적합한 펄스 특성들을 갖는 펄스 레이저 에너지(pulsed laser energy)를 발생시키고 전달하는 데 사용된다. 이러한 펄스 특성들은 자연적으로 발생하는 것(예를 들어, 모반들)뿐만 아니라 인공물(예를 들어, 문신들)인 피부 색소 침착들 및 색소 착색된 병변들 둘 모두의 광기계적 치료를 위한 충분히 짧은 지속기간 및/또는 충분히 높은 에너지를 포함한다.
하나의 양태에 따르면, 증폭기 단들을 추가하지 않고 레이저 발진기로부터 높은 에너지의 서브 나노초 펄스들을 발생시키기 위한 디바이스 및 방법이 제공된다. 이러한 양태에서 레이저 구성에는 추가 증폭기 단들이 없다. 추가 양태에서, 레이저 구성에는 모드 잠금(modelocking)이 없다. 추가 양태에서, 레이저 구성에는 레이저 발진기와 연관될 수 있는 고주파 주기적 손실 변조(high frequency periodic loss modulation)가 없다.
하나의 양태에서, 레이저 구성은 단일 공진기 및 레이징(또는 이득) 매체만을 포함한다. 레이저 구성은 포켈스 셀(Pockels cell), 편광자 및 이득 매체와 같은 전기-광학 디바이스가 그 사이에 위치하는 두 개의 엔드 미러(end mirror)를 포함한다. 두 개의 반사 미러 사이의 거리는 1 나노초 미만의 캐비티 왕복 시간, 즉 서브 나노초 캐비티 왕복 시간을 발생시키도록 설계된다. 레이저 구성은 편광자를 통한 캐비티 덤핑을 위해 설계된다. 하나의 양태에 따르면, 레이저 캐비티의 출력 커플링을 증가시킴으로써 캐비티 덤핑이 달성되어 레이저 캐비티에서 순환하는 모든 또는 실질적으로 모든 에너지가 캐비티에서 추출되도록 한다. 하나의 양태에 따르면, 순환 에너지는 캐비티 왕복 시간과 동일하거나 대략 동일한 기간에 걸쳐 캐비티로부터 추출(또는 "덤핑")된다. 이러한 방식으로, 출력 펄스의 펄스 지속기간은 캐비티 왕복 시간과 동일하거나 실질적으로 동일하다. 하나의 양태에 따르면, 서브 나노초 레이저 펄스 지속 기간을 달성하기 위해, 캐비티 왕복 시간은 1 나노초 미만이다. 하나의 양태에 따르면, 펄스 당 200 mJ 이상의 에너지를 달성하기 위해, 레이저 공진기는 먼저 Q-스위칭된 다음 캐비티 덤핑되는데, 즉, 레이저 에너지는 그 용어가 관련 기술분야에서 공지된 바와 같은 캐비티 덤핑을 달성하는 방식으로 레이저 공진기로부터 추출된다. 하나의 양태에서, 캐비티 덤핑은 펄스 추출을 위해 잠시 턴 온된 음향-광학 변조기 또는 전기-광학 변조기와 같은 레이저 공진기의 광학 스위치를 사용하여 레이저로부터 펄스들을 추출하기 위한 관련 기술분야에서 공지된 방법이다.
하나의 양태에 따르면, 레이저 구성은, 서브 나노초 레이저 펄스 출력을 10 mJ 초과 또는 100 mJ 초과 에너지로 생성하는 데 필요한 컴포넌트들의 측면에서, 단순화된다. 공진기 길이는 조정될 필요가 없으며 컴포넌트들은 소수 개이고 레이저 구성은 콤팩트하다. 하나의 양태에 따르면, 레이저 구성 및 방법은 레이저 에너지를 공진기의 대향 단부들에 배치된 두 개의 전반사 또는 두 개의 실질적으로 전반사 미러 사이에서 그리고 공진기 내부에 있고 공진기의 광학 경로(또는 종축)를 따라 배치된 편광자 및 전기-광학 디바이스를 통해 레이저 에너지를 반사하는 것을 포함한다. 레이징 (또는 이득) 매체, 예를 들어 플래시 램프 펌핑 레이저 로드(flash lamp pumped laser rod) 역시 광학 축을 따라 위치된다. 레이저 공진기는 1 나노초 미만의 캐비티 왕복 시간을 갖는다. 하나의 양태에 따르면, 레이저 공진기는 Q-스위칭되고 캐비티 덤핑되어, 예를 들어 100 mJ 또는 200 mJ 정도의 에너지를 갖는 서브 나노초 펄스들을 발생시킨다. 펄스는 편광자에서 공진기로부터 방출된다.
하나의 양태에 따르면, 대표적인 장치는 제1 및 제2 미러를 갖는 공진기를 포함하고, 각각의 제1 및 제2 미러는 전반사적이거나 실질적으로 전반사적이고, 공진기의 대향 단부들에 배치된다. 장치는 또한 레이저 재료(예를 들어, 고체 상태 레이징 매체), 전기-광학 디바이스(예를 들어, 포켈스 셀) 및 편광자를 포함하며, 이들 모두는 공진기의 광학 축을 따라 위치된다. 전기-광학 디바이스는 편광자와 (임의적으로 표시된) "제1" 미러 사이의 광학 축 상에 위치된다. 다른 실시양태들에서, 본 명세서에 설명된 레이저 구성 또는 장치는 고정 길이의 공진기를 포함할 수 있고, 본 명세서에서 논의된 바와 같은 원하는 펄스 지속기간 및 에너지 특성들을 갖는 레이저 방사선을 발생시키도록 구성된 단지 고정 길이의 단일 공진기만을 종종 포함한다. 다른 실시양태들에서, 제1 미러 및 제2 미러는 하우징 내에서 서브 나노초 왕복 시간을 갖는 정적 공진기 챔버를 정의하도록 고정된다. 공진기는, 예를 들어 기본 및 신규 특성들에 실질적으로 영향을 미치는 임의의 다른 컴포넌트들 없이 장치에 포함될 수 있다.
본 개시내용의 방법들에 따라 발생된 펄스 레이저 에너지는 적어도 약 100 mJ/펄스를 가질 수 있고, 문신들을 형성하는 데 흔히 사용되는 색소 입자들의 제거 또는 흩트림과 같이, 본 명세서에 설명된 애플리케이션들에 요구된 것으로 보통 약 200 내지 약 900 mJ/펄스의 펄스를 가질 것이다. 이러한 애플리케이션들에서도 또한 원하는 바와 같이, 펄스 레이저 에너지는 일반적으로 100 피코초 내지 900 피코초, 500 피코초 내지 900 피코초 또는 500 피코초 내지 750 피코초의 펄스 지속기간을 갖는다. 앞서 언급한 바와 같이, 공진기 길이가 서브 나노초 왕복 시간을 생성하도록 고정되고 소수 개의 컴포넌트가 레이저 공진기를 구성하고 있으므로, 위에서 설명한 방법들 중 어느 방법이든 공진기 길이를 조정할 필요 없이 수행될 수 있다.
다른 실시양태에서, 본 개시내용은 문신, 포트와인 얼룩 또는 모반과 같은 피부 색소 침착을 치료하기 위한 방법을 제공한다. 하나의 양태에 따르면, 그 전체가 본 명세서에서 참조로 포함되는 문헌[Tanghetti, Lasers in Surgery and Medicine, 48:646-652(2016)]에 설명된 바와 같은 회절 렌즈 어레이 광학계(즉, 프랙셔널 렌즈 어레이(fractional lens array))가 본 명세서에서 설명된 바와 같은 디바이스로부터 레이저 광을 타겟 조직으로 전달하는 데 사용될 수 있고 각각 그 전체가 본 명세서에서 참조로 포함되는 Anderson et al. US 특허 No. 6,997,923에 의해 설명된 바와 같다. 따라서, 본 명세서에서는 프랙셔널 레이저 광 치료 방법이 제공된다.
방법은 환자의 색소 착색된 피부를 100 ps 내지 900 ps의 지속기간 및 적어도 100 mJ의 에너지를 갖는 펄스들로 펄스 레이저 에너지에 노출시키는 단계를 포함한다. 펄스 레이저 에너지는 위에서 논의된 임의의 방법들에 따라 또는 임의의 장치들 또는 레이저 구성들을 사용하여 발생된다.
도 1은 캐비티 덤핑 펄스가 파선 화살표를 따라 추출되는, 공진기 레이아웃의 그래픽 표현이다.
도 2는 (일정 비율로 그려진 것이 아닌) 포켈스 셀 전압 파형을 예시한다.
도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d는 시간 플롯들이며, 여기서 단위는 캐비티 왕복 시간[trt]이다.
도 4a는 포켈스 셀 전압 과도의 함수로 출력 펄스 지속기간을 예시한다. 과도 시간들 및 출력 펄스 지속기간들은 캐비티 왕복 시간의 단위로 나타낸다.
도 4b, 도 4c, 도 4d 및 도 4e는 캐비티 덤핑 공진기로부터 계산된 전압 과도들(파선) 및 출력 펄스 형상들(실선)을 예시한다. 시간 스케일, 과도 시간들 및 출력 펄스 지속기간들은 캐비티 왕복 시간의 단위로 나타낸다. 포켈스 셀 전압 진폭은 1/4 파 전압의 단위로 나타낸다.
도 4f는 계산된 출력 펄스 지속기간에 대한 등고선 플롯을 도시한다.
도 4g는 계산된 에너지 추출 효율에 대한 등고선 플롯을 도시한다. 두 개의 99 % 등고선 사이에 둘러싸인 구역에서, 실제로 순환하는 모든 공진기 에너지가 추출된다.
도 5는 캐비티 덤핑 펄스가 파선 화살표를 따라 추출되는, 대안적인 공진기 레이아웃을 예시한다.
도 6은 (일정 비율로 그려진 것이 아닌) 대안적인 포켈스 셀 전압 파형을 예시한다.
도 7은 이득 매체에 저장된 총 에너지의 함수로서 도표화된 Est/ESAT를 도시한다. 실선 - 직경 7 mm 알렉산드라이트 크리스탈(Alexandrite crystal); 파선 - 9.5 mm 직경 Nd:YAG 크리스탈.
도 8은 저 이득 재료들에 대한 저장된 에너지 추출 효율(Eout/Est)의 등고선 플롯을 도시한다. 두 개의 공진기 엔드 미러는 R1 * R2 = 99 %의 반사율을 갖는 것으로 가정된다.
도 9는 축적 단계에서 계산된 왕복 횟수에 대한 등고선 플롯을 도시한다. 두 개의 공진기 엔드 미러는 R1 * R2 = 99 %의 반사율을 갖는 것으로 가정된다.
도 10은 큰 이득 매체들에 대한 저장된 에너지 추출 효율(Eout/Est)의 등고선 플롯을 도시한다. 두 개의 공진기 엔드 미러는 R1 * R2 = 99 %의 반사율을 갖는 것으로 가정된다.
도 11은 펌핑 다이오드의 함수로서 작은 신호 이득; 온-타임 광학 효율(On-time Optical efficiency) 80 %; 양자 효율 650/750; 알렉산드라이트 로드 직경 및 펌핑 다이오드 피크 전력이 표시된 라인들을 도시한다.
도 12는 Q-스위치드 캐비티 덤핑 알렉산드라이트 레이저로부터의 출력 에너지[J/펄스]; 광학 효율 80 %; 양자 효율 650/750; 7 mm 알렉산드라이트 로드 직경; 10 kW 펌프 다이오드 피크 전력; 600 μs 펌프 다이오드 온-타임에 대한 등고선 플롯을 도시한다. 두 개의 공진기 엔드 미러는 R1 * R2 = 99 %의 반사율을 갖는 것으로 가정된다.
도 13은 사이드 펌핑 Nd:YAG 레이저를 예시한다.
도 14는 사이드 펌핑 Nd:YAG 레이저의 단부도를 도시한다.
도 15는 롱 펄스 성능(long-pulse performance)을 가진 사이드 펌핑 Nd:YAG 레이저를 도시한다.
도 16은 사이드 펌핑 Nd:YAG 레이저 공간 빔 프로파일을 도시한다.
도 17은 엔드 펌핑 알렉산드라이트 레이저를 도시한다.
도 18은 사이드 펌핑 알렉산드라이트 레이저를 도시한다.
도 19는 대안적인 구성의 사이드 펌핑 알렉산드라이트 레이저를 도시한다.
도 20은 매니폴드에서 플래시 램프들에 횡방향으로 위치된 레이저 이득 매체를 도시한다.
도 21은 세라믹 확산 반사기에서 횡방향으로 위치된 레이저 이득 매체 및 플래시 램프들을 도시한다.
도 22는 별개의 글래스 유동 튜브(glass flow tube)들에서 횡방향으로 위치된 레이저 이득 매체 및 플래시 램프들을 도시한다.
도면들에서 참조된 실시양태들의 특징들은 반드시 일정한 비율로 그려진 것이 아니며, 본 개시내용 및/또는 연루된 원리들의 양태들의 예시를 제시하는 것으로 이해되어야 한다. 도면들에 묘사된 일부 특징들은 설명과 이해를 용이하게 하기 위해 다른 것들에 비해 확대되거나 왜곡되었다. 다양한 실시양태에 도시된 유사하거나 동일한 컴포넌트들 또는 특징들에 대해 도면들에서 동일한 참조 번호들이 사용된다. 본 명세서에 개시된 바와 같이, 레이저 디바이스들은 의도된 애플리케이션 및 또한 이들이 사용되는 환경에 의해 부분적으로 결정된 구성들, 컴포넌트들 및 동작 파라미터들을 가질 것이다.
본 개시내용의 양태들은 서브 나노초 왕복 시간을 제공하는 길이를 갖는 레이저 발진기를 포함하는 레이저 구성의 실시양태들에 관한 것이다. 하나의 양태에 따르면, 레이저 발진기의 길이는 고정된다. 특정 실시양태들에 따르면, 레이저 발진기는 캐비티 덤핑 특징을 갖는다. 특정 실시양태들에 따르면, 레이저 발진기는 Q-스위칭 특징을 갖는다. 특정 양태들에 따르면, 레이저 발진기는 Q-스위칭된 다음 캐비티 덤핑된다. 특정 양태들에 따르면, 레이저 발진기는 Q-스위칭된 다음 레이저 발진기 왕복 시간과 거의 동일한 기간에 걸쳐 캐비티 덤핑된다. 이러한 방식으로, 출력 펄스의 펄스 지속기간은 레이저 발진기 왕복 시간과 동일하거나 거의 동일하다. 예시적인 출력 펄스는 서브 나노초 범위 내에 있다. 하나의 양태에 따르면, Q-스위칭 특징은 수백 mJ 이상 정도의 에너지를 제공한다.
캐비티 덤핑은 레이저 캐비티의 출력 커플링이 매우 빠르게 증가되어, 레이저 캐비티에서 순환하는 실질적으로 모든 에너지가, 예를 들어 Siegman, "Lasers," University Science Books, 1986에 설명된 바와 같이, 캐비티로부터 "덤핑"되는 공지된 기술이다. 이상적으로, 순환 에너지는 캐비티 왕복 시간과 동일한 기간에 걸쳐 캐비티로부터 덤핑된다. 그러므로 출력 펄스의 펄스 지속기간은 캐비티 왕복 시간과 동일하다. 그러면, 서브 나노초 레이저 펄스 지속기간을 달성하기 위해, 캐비티 왕복 시간은 1 나노초 미만이다.
펄스 당 에너지를 상대적으로 크게 하기 위한, 예를 들어, 200 mJ 이상으로 하기 위한 요건은 공진기가 Q-스위칭된 다음 캐비티 덤핑되는 것에 의해 달성된다. Q-스위치드 캐비티 덤핑 설계들은 보고되었고 본 명세서에 설명된 레이저 설계들 및 방법들의 양태들에서 유용하다. 예를 들어, Thomas, Opt. Expr., v. 24, p. 27212; Coyle, J. Phys. D., v. 28, p. 452; Wayne, U.S. 특허 No. 4,176,327; Guch, U.S. 특허 No. 6,580,732; Rieger, U.S. 특허 No. 7,006,540; 및 Zucker US 2007/0280305를 참고하며, 이들 각각은 본 명세서에서 그 전체가 참조로 포함된다.
하나의 양태에 따르면, 본 명세서에 설명된 레이저 구성들은 수백 피코초의 펄스 지속기간을 갖는 광 펄스들을 발생시켜, 음파들(또는 압력파들)의 사용을 통해, 문신 색소 입자들 및 색소 착색 병변들의 다른 컴포넌트들의 광기계적 파괴를 유발한다. 색소 입자들의 기계적 파괴는 면역 체계와 연관된 프로세스들과 같은 신체의 자연적 제거 프로세스들에 의해 색소 입자들의 제거를 용이하게 한다. 이러한 펄스 지속기간들은, 그렇지 않았다면 피부 조직에서 (예를 들어, 정상적인 면역 체계 반응에 의해 티가 없어지지 않고) 안정된 채로 남아 있게 할 만큼 충분히 큰, 약 1 내지 약 4 마이크로미터의 하나의 양태에 따른 예시적인 직경을 갖는 입자들을 횡단하는 음향 주행 시간과 동일한 정도의 지속기간을 갖는다.
본 개시내용의 실시양태들은 일반적으로 약 1 나노초 미만, 전형적으로는 약 900 피코초(ps), 약 800 피코초(ps), 약 700 피코초(ps), 약 600 피코초(ps), 약 500 피코초(ps), 약 400 피코초(ps), 약 200 피코초(ps), 및 종종 약 250 ps 미만의 펄스 지속기간을 갖는 레이저 에너지를 발생시키고 임의로 전달한다. 일부 실시양태에 따른 일반적인 펄스 지속기간 값들은 약 100 ps 내지 약 900 ps, 약 150 ps 내지 약 800 ps, 약 200 ps 내지 약 700 ps, 약 300 ps 내지 약 600 ps, 약 100 ps 내지 약 300 ps, 약 500 ps 내지 약 900 ps 또는 약 500 ps 내지 약 750 ps 범위에 있다. 위의 값들은 일반적으로 약 1 내지 약 10 마이크론 범위의 직경을 갖는 색소 침착 입자들에 대해 몇 미만(예를 들어, 약 1 내지 약 3 또는 약 1 내지 약 5)의 음향 주행 시간들을 나타낸다.
또한 피부 색소 침착들을 치료하거나 제거하는 데 효과적인 레이저 에너지의 특성은 상대적으로 높은 레벨의 에너지 출력이다. 예를 들어, 색소 입자들의 상당한 파괴를 달성하는 데 필요한 플루언스들은 일반적으로 약 1 내지 약 10 J/cm2 범위 내에 있다. 수 밀리미터 직경의 치료 영역 또는 스폿 크기를 갖는 실행 가능한 치료 방법들의 경우, 필요한 레이저 출력은 적어도 펄스 당 약 100 mJ 및 종종 펄스 당 약 200 mJ 내지 약 800 mJ의 범위 내에 있다.
도 1은 광기계적 수단을 통한 색소 착색된 병변들의 효과적인 치료에 적합한, 위의 펄스 지속기간 및 에너지 출력 파라미터들을 달성할 수 있는, 본 개시내용에 따른 레이저 공진기(10)의 대표적인 실시양태를 도시한다. 유리하게는, 장치는 본 명세서에 설명된 바와 같이, 원하는 펄스 지속기간 및 펄스 당 에너지를 갖는 레이저 에너지를 발생시킬 수 있는 공진기(또는 레이저 캐비티)를 포함한다. 공진기는 실선으로 표시된 바와 같이 특유의 종방향 또는 광학 축(20)(즉, 공진기에서 방사를 위한 종방향 유동 경로)을 갖는다. 하나의 양태에 따르면, 광학 축의 길이는 고정된다. 또한 도시된 대표적인 장치에는 전기-광학 디바이스, 이 경우는 포켈스 셀(22)(PC), 편광자(24)(P)(예를 들어, 박막 편광자) 및 이득 매체(26)(Gain)가 포함된다. 동작 중에, 레이저 펄스 출력은 파선으로 표시된 출력 경로(28)를 따라 획득될 것이다. 하나의 양태에 따르면, 레이저 펄스 출력은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 레이저 광 전달 디바이스를 사용하여 타겟 조직으로 전달된다. 이러한 레이저 광 전달 디바이스는 관련 기술분야에서 공지된 바와 같은 단일 렌즈 또는 관련 기술분야에서 공지된 바와 같은 렌즈 어레이를 포함할 수 있다. 예시적인 렌즈 어레이는 관련 기술분야에서 공지된 바와 같은 프랙셔널 렌즈 어레이일 수 있다.
공진기의 광학 축(20)의 대향 단부들에는 완전한 반사율 또는 실질적으로 완전한 반사율을 갖는 제1 미러(30)(M1) 및 제2 미러(32)(M2)가 있다. "실질적으로 완전한 반사율"이라는 용어들 및 "실질적으로 전반사"와 같은 동등한 용어들은 미러들(30 및 32)이 공진기의 동작 중에 정상적으로 존재하는 유형의 입사 레이저 방사선을 완전히 반사하는 것, 또는 입사 방사선의 적어도 90 %, 바람직하게는 적어도 95 % 및 더 바람직하게는 적어도 99 %를 반사하는 것을 나타내기 위해 사용된다. 레이저 공진기의 길이, 즉 광이 제1 미러(30) 및 제2 미러(32)의 축(20)을 따라 반사되는 입사면들 사이의 길이는 1 나노초 미만의 캐비티 왕복 시간을 지원한다. 미러 반사율은 "유효 반사율"이라는 용어와 구별되어야 하는데, 유효 반사율은 미러 자체의 특성이 아니라 대신에 포켈스 셀(22)의 특정 동작에 의해 광이 편광자(24)를 통해 레이저 캐비티로부터 추출되도록 유도되는, 제2 미러(32), 포켈스 셀(22) 및 편광자(24)의 조합의 효과적인 거동을 의미한다.
특히, 레이징 또는 이득 매체(26)로부터 제1 미러(30)를 향해 이동하는 레이저 펄스는 먼저 편광자(24)를 통과한 다음, 포켈스 셀(22)을 통과하고, 제1 미러(30)에서 반사되고, 포켈스 셀(22)을 두 번째로 통과하고, 마지막으로 편광자(24)를 두 번째로 통과한 다음, 이득 매체(26) 및 제2 미러(32)로 되돌아 갈 것이며, 이곳에서 레이저 펄스는 반사되어 이득 매체(26)로 되돌아갈 것이다. 포켈스 셀(22)에 인가된 바이어스 전압에 따라, 펄스의 에너지의 전체는 편광자(24)에서 거부되고 출력 경로(28)를 따라 공진기를 빠져나갈 것이고, 이것이 "캐비티 덤핑"의 전형이다.
레이징 또는 이득 매체(26)는 광학 펌핑 디바이스(예를 들어, 플래시 램프) 또는 가능하게는 전기 또는 주입 펌핑 디바이스와 같이 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 통상적인 펌핑 디바이스(도시되지 않음)에 의해 펌핑될 수 있다. 고체 상태 레이징 매체 및 광학 펌핑 디바이스가 본 개시내용에 설명된 바와 같이 사용하기에 바람직하다.
하나의 양태에 따르면, 레이저 공진기(10)는 Q-스위칭 및 캐비티 덤핑 역량들을 포함한다. 도 1에 도시된 공진기 요소들의 방향 또는 위치설정 또는 배열은 이를테면 콤팩트하게 설계되어, 캐비티 왕복 시간이 1 나노초(ns) 미만이 되도록 한다. 두 개의 엔드 미러((30)(M1) 및(32)(M2))는 정적이고, 즉, 축을 따라 이동할 수 없고 레이저 동작 파장에서 약 100 %와 같은 높은 반사율을 갖는다. 이득 매체의 동축 레이저 펌핑의 경우, 이득 매체에 근접한 미러(32)(M2)는 이색성 코팅되어 있고, 레이저 동작 파장에서 약 100 %와 같은 높은 반사율 및 펌핑 파장에서 약 0 %와 같은 최소 반사율을 갖는다.
대표적인 고체 상태 레이저들은 알렉산드라이트 또는 티타늄 도핑 사파이어(titanium doped sapphire)(Ti:S) 크리스탈로 동작한다. 대안적인 고체 레이징 매체는 네오디뮴으로 도핑된 이트륨-알루미늄 가넷 크리스탈(Nd:YAG 레이저)을 포함한다. 유사하게, 네오디뮴은 페로브스카이트 크리스탈(Nd:YAP 또는 Nd:YAlO3 레이저) 또는 이트륨-리튬-플루오라이드 크리스탈(Nd:YLF 레이저)에서 도펀트로 사용될 수 있다. 다른 희토류 및 전이 금속 이온 도펀트들(예를 들어, 에르븀, 크롬 및 티타늄) 및 이러한 도펀트들 중 다른 크리스탈 및 글래스 매체 호스트들(예를 들어, YVO4와 같은 바나데이트 크리스탈, ZBLN과 같은 플루오라이드 글래스들, 실리카 글래스들 및 루비와 같은 다른 광물들)이 레이징 매체로서 사용될 수 있다. 하나의 양태에 따르면, 이득(또는 레이저) 매체는 바람직하게는 콤팩트한 고체 상태 레이저 크리스탈이다. 예들은 알렉산드라이트, Nd:YAG, Nd:YLF, Yb:YAG 또는 다른 희토류 또는 Cr 도핑된 크리스탈들 또는 유리들(예를 들어, Cr:LiSAF)를 포함한다. 바람직하게는, 이득 매체는 알렉산드라이트와 같은 상대적으로 낮은 이득 재료이다.
위에서 언급한 유형들의 레이저들은 일반적으로 전자기 스펙트럼의 가시 영역 대 적외선 영역의 파장들을 갖는 우세한 동작 모드들에서 방사선을 방출한다. 예를 들어, Nd:YAG 레이저에서, YAG 크리스탈의 Nd+3 이온들의 집단 반전은 1064 nm에서 뿐만 아니라 다수의 다른 근적외선 파장들에서 방사선 빔의 방출을 유발한다. 치료용 방사선 외에도, 낮은 전력의 가시 레이저 광의 빔을 가이드 또는 정렬 도구로서 사용하는 것이 또한 가능하다. 대안적인 유형들의 레이저들은 가스, 염료 또는 다른 레이징 매체를 수용하는 레이저들을 포함한다. 반도체 또는 다이오드 레이저들은 다양한 파장에서 사용 가능한 레이저 에너지의 가능한 소스들을 대표한다. 특정 유형의 레이저가 원하는 파장과 원하지 않는 파장 둘 모두에서 방사선을 방출하는 경우, 필터들, 반사기들 및/또는 다른 광학 컴포넌트들을 사용하면 색소 착색된 병변 성분을 원하는 유형의 방사선만으로 타겟팅하는 데 도움이 될 수 있다.
이득 매체가 이색성 미러(M2)(32)를 통한 동축 펌핑의 파장에서 상대적으로 낮은 흡수를 갖는 경우, 이색성 미러(M2)(32)에 대해 먼 위치에 있는 이득의 광학 표면은 레이징 파장에 대해 약 0 %의 반사율을 달성하고 펌핑 파장에 대해 약 100 % 반사율을 달성하기 위해 이색성 코팅될 수 있다. 이러한 양태에 따르면, 이득 매체상의 이색성 코팅은 펌프 광으로 2회 통과 펌핑(two-pass pumping)을 가능하게 한다.
본 명세서에 개시된 장치들 및 방법들은 바이어스 전압 및 다른 동작 파라미터들의 관점에서 감소된 개수의 컴포넌트들 및/또는 감소된 요구들로 인해 많은 경우에서 상당히 단순화된다. 디바이스들은 본 명세서에 설명된 요건들 및 파라미터들에 따른 변조된 파형을 사용하고, 적합한 전자적 구성 또는 본 개시내용의 혜택을 받는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백한 바와 같은 다양한 동등한 구성들을 사용하여 동작될 수 있다. 본 개시내용의 다른 실시양태들은 셔터들 또는 빔 감쇠기들, 반사 프리즘들 또는 다른 반사 컴포넌트들, 필터들, 광 포커싱 컴포넌트들, 이를테면 선광기(concentrator)들 또는 집광기(condenser)들, 시준 렌즈들, 추가 편광자들, 전기-광학 디바이스들 및/또는 미러들 등과 같이, 본 명세서에 개시된 장치들과 함께 사용하기 위한 통상적인 광학 컴포넌트들을 도입하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 변형들은 쉽게 고려되며, 따라서 위의 수정들은 본 개시내용을 고려하여 관련 기술분야의 통상의 기술자의 범위 내에 있다.
하나의 양태에 따르면, 프랙셔널 렌즈 어레이 광학계의 회절 렌즈 어레이 광학계를 이용한 프랙셔널 치료 양식을 활용하는 방법 및 장치가 제공된다. 회절 렌즈 어레이 광학계는 관련 기술분야에 공지되어 있으며, 그 전체가 참조로 포함되고 다음과 같이 요약되는 Tanghetti, Lasers in Surgery and Medicine 48:646-652(2016)에 설명되어 있다. 회절 렌즈 어레이 광학계는 여드름 흉터들 및 광에 의해 손상된 피부의 치료를 위해 밀리초 펄스 레이저 시스템(millisecond-pulsed laser system)들에서 실증되었다. 이러한 어레이들은 피부에 절제 또는 비 절제 손상의 초점 영역들을 생성하기 위해 낮은 플루언스 배경에 의해 분리된 높은 플루언스 구역들을 만들었다. Tanghetti의 피코초 레이저 시스템으로 프랙셔널 치료의 이점들을 실현하기 위해, 회절 렌즈 어레이를 갖춘 핸드 피스가 여드름 흉터들 및 주름들의 치료에 추가되었다. Tanghetti의 표 1에 도시된 것처럼 세 개의 상이한 플루언스 및 스폿 크기 설정에서 생체 내 피부를 치료하기 위해 회절 렌즈 어레이 광학계를 갖춘 755 nm 피코초 알렉산드라이트 레이저가 사용되었다. 회절 렌즈 어레이는 중심에서 중심까지의 렌즈 거리가 500 마이크로미터 피치인 밀접하게 패킹된 개별 육각형 렌즈들로 구성된다. 회절 렌즈 어레이는 알렉산드라이트 레이저 빔의 강도 프로파일을 수정하여 낮은 강도의 배경으로 둘러싸인 높은 강도 구역들의 육각형 어레이를 생성한다. 총 에너지의 거의 70 %는 겹치지 않은 단일의 통과 동안 처리된 영역 중 10 % 미만을 포함하는 높은 플루언스 구역들에서 전달된다. 나머지 30 %의 에너지는 낮은 플루언스 배경을 제공한다.
Tanghetti에 따르면, 현미경 분석은 (예전 매사추세츠 앤도버 소재 Lucid Inc.의) Vivascope 1500, Caliber Imaging and Diagnostics 공촛점 현미경을 이용하여 치료 직후 및 24 시간 치료 후에 촬영한 3차원 이미지들에 대해 수행되었다. 기본 이미지들은 500x500 μm2 타일들로서, 주어진 깊이에서 최대 8x8 mm2의 더 큰 시야를 제공하기 위해 함께 스티칭된다. 그런 다음 10 μm 간격의 서로 다른 깊이들에서 스티칭된 이미지들이 적층되어 분석을 위한 3차원 큐빅 이미지를 형성했다.
Tanghetti에서 설명된 바와 같이, 치료 직후 조직학은 H & E 염색(H&E staining)이 없고 직경이 35 내지 65 μm로 측정되는 대략 구형의 표피 내 공간들(액포들) 공극이 잘 정의되어 있음을 보여주었다(Tanghetti, 도 3 참조). 퇴행성 괴사성 각질 형성 세포(Degenerating necrotic keratinocyte)들이 액포(vacuole)들 주변에서 보였지만 하나 또는 두 개의 세포 층을 넘어 확장되지 않았다. 액포들의 위치는 과립층에서 진피/표피 접합부까지 다양했다. 더 어두운 피부 유형들에서 24 시간 치료 후에 채취한 조직 샘플들의 액포들에는 폰타나 마슨(Fontana Masson)으로 양성 얼룩진 세포 파편들이 포함되어 있어, 멜라닌의 존재를 시사한다(Tanghetti, 도 4 참조). 더 밝은 피부 유형들(MI<12)에서 발견된 액포에는 적혈구들이 포함되어 있다. 임의의 피부 유형들에서 치료 직후 또는 24 시간 후에 발견된 주변 세포들 또는 기저 구조들에 미친 명백한 손상은 없었다. 더 어두운 피부 피험자들은 24시간 및 최대 3주 치료 후에 모든 플루언스에 대해 대응하는 렌즈 어레이의 피치와 매칭하는 피치에서 육각형 패턴의 어두운 스폿들로 임상적으로 제시되었지만, 어두워진 점들의 강도는 낮은 플루언스들에서 현저하게 감소했다. 경증 내지 중증의 림프구 혈관 주위 염증이 유두 진피에서 발견되었다(Nielsen et al., J. Photochem. Photobio9l. B 2008; 93:23-31 참조, 그 전체가 참조로 포함됨). 5일 및 2주 치료 후에 미세한 표피 괴사 파편(microscopic epidermal necrotic debris)(MENDS)의 구역들이 각질층 바로 아래에서 또는 그 내부에서 보였다(Tanghetti 도 7 참조). 이들 구역은 약 3-5주 치료 후에 각질 제거되었다. 치료 직후 공초점 이미징에 따르면 모든 피험자 및 치료 파라미터들에 대해 표피 또는 유두 진피에 이상들이 없는 것으로 밝혀졌다. 그러나 24시간 치료 후에, 이미지 내의 밝은 영역들로 특징지어지는 잘 정의된 구형 액포들이 관찰되었다. 이러한 액포들은 직경이 25 내지 70 mm이었고 유극층 내 55 내지 75 mm 깊이에 위치했다. Tanghetti의 도 10은 더 어두운 피부의 두 명의 피험자에서 액포 직경들 대 치료 플루언스를 나타낸다. 더 큰 표면적의 뷰를 제공하기 위해 더 어두운 피부 피험자들의 인접한 공초점 이미지들을 스티칭하였을 때, 치료에 사용된 렌즈 어레이 광학계의 피치와 대략 대응하는 피치로 육각형 패턴의 액포들이 드러났다(Tanghetti 도 11 참조).
Tanghetti에서 설명된 바와 같이, 회절 렌즈 어레이 광학계를 구비한 755 nm 피코초 알렉산드라이트 레이저는 높은 플루언스 구역에 있는 액포들로 특징지어지는 유극층의 표피 내 손상의 고유 초점 구역들의 어레이를 전달했다. 공초점 현미경과 H & E 염색으로 측정했을 때, 각질층 및 액포들을 둘러싼 모든 조직은 부수적인 열 손상의 징후없이 정상으로 보였다. 이러한 손상 프로파일은 비 절제 및 절제 프랙셔널 치료들에서 명백한 표피 및 진피 손상과는 극명한 대조를 이룬다. 프랙셔널 피코초 알렉산드라이트 레이저를 이용한 최근 임상 연구에서, 이러한 국소화된 표피 액포들은 새로운 진피 콜라겐, 탄력 조직 및 뮤신의 침착과 연관이 있었다(Brauer et al., JAMA Dermatol 2015; 151(3):278 참조, 그 전체가 참조로 포함됨). 케라티노사이트들은 부상 또는 상처에 반응하여 많은 성장 인자, 케모카인 및 사이토카인을 생성한다(Werner et al., J. Invest. Dermatol. 2007; 127(5) 998-1008 참조). 이러한 인자들 및 작용제들은 표피 및 진피 세포들의 수용체들을 통해 이러한 손상에 대한 반응을 자극하고 조절할 수 있었다. 레이저 유도 파괴(laser induced breakdown)(LIOB)의 발생과 더불어 급속한 액포 형성이 피부에 압력 변동을 일으킬 수 있다고 추측되었다(Vogel et al., J. Acoust. Soc. Am. 1996; 100(1):148 참조, 그 전체가 참조로 포함됨). 이것은 또한 세포 시그널링의 변동들로부터 진피 리모델링의 시작을 초래할 수 있고 세포 막들의 변화들로부터 사이토카인의 방출을 초래할 수 있다(Tanghetti et al., Lasers Surg. Med. 2015; 47(S26):24 및 McDaniel, Lasers Surg. Med. 2015; 47(S26):22 참조, 이들 각각은 그 전체가 참조로 포함됨). 높은 플루언스 구역들은 액포들을 생성했지만, 그 가능성은 구역들 내의 플루언스, 즉, 회절 렌즈 어레이와 색소침착의 양에 따라 달라진다. 멜라닌 함량이 높은 더 어두운 피부 유형들에서, 공 초점 현미경 시그니처들은 짐작컨대 액포들 내의 핵과 멜라노좀 클러스터들로 이루어진 세포 파편들로부터 산란된 빛으로 인해 뚜렷하게 밝고 준 구형의 영역들이었다. 표피의 멜라닌 함량이 감소함에 따라, 액포들의 크기, 위치 및 유병률이 또한 감소했다. 더 밝은 피부 유형들에서, 부상 프로필이 극적으로 변동되었다. 조직학에서, 출혈이 동반된 액포들이 진피-표피 접합부에서 발견되었다. 혈관 손상은 0.71 J/cm2의 더 높은 플루언스에서만 보였다. 타겟 발색단은 겉보기에는 표재성 모세관 루프들에 헤모글로빈을 포함시키도록 이동했다. 이러한 연구 결과들은 표피의 액포들에 대한 손상을 제한하는 멜라닌의 중요성을 설명하고 피부 색소 농도에 따라 액포 형성에 대한 플루언스 임계치를 시사한다. 임상 결과들을 가져 오는 데 있어서 액포들이 수행하는 역할은 추가 조사의 대상이지만 액포들의 형성으로 이어지는 물리적 프로세스는 복잡한 일련의 단계로 진행되는 것으로 알려져 있다. 레이저 가열에 의한 망막 내 액포들의 생성은 문헌(Gerstman et al., Lasers Surg. Med. 1996; 18(1):10-21)에서 이론적으로 보고되고 분석되었다. 이론은 망막 멜라닌의 레이저 가열에 의해 생성된 증기 기포의 팽창을 사실로 상정했다. 짧은 레이저 펄스(마이크로 초 미만)는 본질적으로 즉각적인 가열을 가져왔고 펄스가 끝난 후에 오랫동안 기포의 팽창이 뒤따랐다. 현재의 경우, 타겟 발색단은 표피의 멜라닌이다. 그러나 이러한 과립들 만에 의한 레이저 방사선의 흡수는 관찰된 기포 형성을 설명할 수 없다. 흡광도가 100 배 더 큰 발색단이 필요하다. 이러한 높은 흡수 발색단은 LIOB 프로세스를 통해, 레이저 방사에 의해 일시적으로 생성될 수 있다. LIOB 프로세스에서, 레이저로 가열된 멜라닌으로부터 하나 이상의 전자의 열이온 방출은 레이저 펄스 동안 초기 자유 "시드(seed)" 전자를 제공한다(Tanghetti 도 12a 참조). 자유 전자들은 레이저 광을 매우 효율적으로 흡수하여 주변 분자들과의 충돌들 사이에 에너지를 얻는다. 시드 전자의 에너지가 멜라닌 분자를 이온화하는 데 필요한 에너지를 초과할 때, 다음번 충돌은 두 번째 자유 전자의 발생을 초래할 수 있다. 이러한 프로세스가 반복되고, 자유 전자 밀도 및 에너지가 증가하여 펄스의 나머지 레이저 방사선을 매우 효율적으로 지속적으로 흡수하는 이온화된 플라즈마를 형성한다. 결과적으로 생성된 고온 플라즈마는 레이저 펄스가 종료된 이후에도 전자-분자 충돌들을 통해 주변 조직을 가열한다(Tanghetti 도 12c 참조). 이론적 분석은 플라즈마의 에너지가 표피 내부 액포들을 유발시키는 증기 기포를 생성하기에 충분하다는 것을 보여준다(Tanghetti 도 12d 참조)(Mirkov et al., Lasers Surg. Med. 2016; 48(S27):1 참조).
LIOB 형성을 위한 프로세스는 레이저 방사선을 효율적으로 흡수하기 위해 초기 시드 전자의 생성에 의존한다. 열이온 방출의 수단에 의한 이러한 전자들의 생성은 본질적으로 통계적이다. 이론적 분석은 열이온 방출의 확률을 레이저 파라미터들 및 멜라닌 농도와 관련시킨다. 레이저 플루언스 또는 멜라닌 농도가 클수록, 레이저 펄스에서 더 일찍 시드 전자가 LIOB 형성을 시작할 것이다. 이것은 나머지 펄스의 더 많은 에너지가 전자 플라즈마에 의해 흡수되어 더 큰 액포들을 생성한다는 것을 의미한다. 밝은 피부의 피험자들에서, 표피 멜라닌 농도에 비례하여, LIOB 형성 확률은 표피의 더 깊은 영역에서 가장 크다(Nielsen et al., J. Photochem. Photobiol. B 2008; 93:23-31 참조, 그 전체가 참조로 포함됨). 표피 또는 표재성 유두 진피 내의 출혈성 액포들은 LIOB 프로세스 자체가 인접한 혈관들을 파괴하거나 헤모글로빈에 의해 시작될 수 있다는 것을 시사한다(Habbema et al., J. Biophotonics 2012; 5(2):194-1994 참조, 그 전체가 참조로 포함됨).
다음의 실시예들은 본 개시내용의 양태들을 대표하는 것으로 설명된다. 이러한 실시예들은 다른 실시양태들 및 양태들이 본 개시내용에 비추어 명백하기 때문에 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
예 I
예시적인 레이저 공진기
도 1에 도시된 레이저 디바이스 또는 레이저 공진기는 포켈스 셀 전하를 축적해야 한다. 예시적인 공진기의 개별 컴포넌트들을 통한 예시적인 길이들 및 과도 시간들은 표 1에서 제공된다.
Figure 112020100510610-pct00001
표 1에 열거된 컴포넌트들을 사용하는 공진기의 경우, 캐비티 주행 시간은 373 ps이고 캐비티 왕복 시간은 746 ps이다. 편광자, 포켈스 셀 및 M1 엔드 미러는 가변 반사율 출력 커플러를 형성한다. 포켈스 셀은 공진기가 세 개의 연속 위상 또는 상태를 통해 진행할 수 있도록 하고 서브 나노초 펄스를 발생시킨다.
세 개의 연속 위상 또는 상태는 포켈스 셀에 인가된 전압 파형을 보여주는 도 2에 예시된다. 세 개의 연속 상태에서 레이저 공진기의 프로세스들은 아래에서 설명되는 바와 같이 "홀드-오프(Hold-off)", "축적" 및 "캐비티 덤핑"이다.
홀드 오프 상태는 도 2의 t0 시점부터 t1 시점까지로 예시된다. 시간(t0)에서 포켈스 셀에 인가된 1/4 파 전압은 에너지가 펌핑되고 레이저 이득 매체에 저장되는 동안 공진기에 광학 필드가 축적되는 것을 방지한다. 1/4 파 전압은 입사 방사선을 동일한 강도들을 갖는 두 개의 컴포넌트로 분할하고 한 컴포넌트의 편광 전기장 벡터를 다른 컴포넌트에 비해 1/4 파장만큼 지체시키기 위해 포켈스 셀 양단에 필요한 전압을 의미한다. 편광자(24)가 레이징 재료(26)로부터의 방사선의 초기 전기장 벡터의 방향에 직교(또는 수직)하는 전기장 벡터를 갖는 방사선을 거부하면, 결합된 컴포넌트들(제1 미러(30)(또는(M1)), 포켈스 셀(22) 및 편광자(24)의 순 효과는 가변 반사율 미러의 순 효과이다. "1/4 파 전압과 실질적으로 동일"이라는 용어는 1/4 파 전압의 전기-광학 디바이스에 인가된 바이어스 전압 또는 바람직하게는 1/4 파 전압의 적어도 80 % 내지 120 %, 전형적으로 적어도 90 % 내지 110 %, 및 종종 적어도 95 % 내지 105 %를 나타낸다. 따라서, 제2 미러(32)에서 반사되어 포켈스 셀(22)을 Vλ /4의 인가 전압으로 두 번 통과하는 방사선은 90° 회전된 편광 축을 갖고 편광자(24)에 의해 완전히 거부될 것이다. 그러므로 인가된 전압(V = Vλ / 4)은 "0 %" 또는 "실질적으로 0 %"의 유효 반사율(Reff)을 제공하고, 이는 방사선이 편광자(24)에 의해 완전히 거부되거나 또는 아마도 소량의 방사선, 예를 들면, 편광자(24) 및 포켈스 셀(22)을 통한 방사선의 첫 번째 통과 이전에 초기 강도 또는 진폭(Io) 중 일반적으로 약 10 % 미만, 전형적으로 약 5 % 미만 및 종종 약 1 % 미만의 강도 또는 진폭을 갖는 양의 방사선 이외의 것을 모두 거부한다는 것을 의미한다. t0부터 t1까지의 홀드-오프 시간은 사용 가능한 펌프 전력 소스에 따라 0.5 내지 3의 저장 레이저 레벨 수명(storage laser level lifetime)들의 범위이다. 더 짧은 홀드-오프 시간을 위해 더 높은 펌프 전력 소스가 사용될 수 있다. 더 낮은 펌프 전력 소스는 더 긴 홀드-오프 시간을 필요로 한다. 홀드-오프 시간의 상한은 레이저 이득 재료의 저장 레벨 수명의 배수로 설정된다.
축적 상태는 t1 시점부터 t2 시점까지로 예시된다. 레이저 이득 매체에서 미리 결정된 양의 에너지를 저장한 후에, 포켈스 셀은 0V 또는 실질적으로 0V로 스위칭되어, 공진기를 저손실 상태로 설정한다. 전기적으로 포켈스 셀은 약 10 피코패러드(pF)의 전형적인 커패시턴스를 갖는 커패시터로서 역할을 한다. "실질적으로 0 볼트"라는 용어는 전기-광학 디바이스가 0 볼트로 완전히 방전될 수 있다는 것 또는 인가된 전압이 일반적으로 디바이스의 1/4 파 전압의 10 % 미만, 전형적으로 5 % 미만 및 종종 1 % 미만이 될 것이라는 것을 나타낸다. 두 개의 공진기 엔드 미러는 레이저 파장에서 명목상 100 % 반사적이다. 이러한 조건에서, 레이저 에너지는 축(20)을 따라 두 개의 전반사 또는 실질적으로 전반사 미러(30 및 32) 사이에서 발진한다. 레이저 이득 매체의 상대적으로 높은 이득 및 낮은 공진기 손실은 무시할 수 있는 공진기로부터 누출로 공진기 내부의 광학 필드를 축적할 수 있게 한다.
캐비티 덤핑 상태는 t2 시점부터 t3 시점까지로 예시된다. 공진기 내부의 광학 필드가 피크까지 축적될 때, 포켈스 셀은 시간(t2)에서 1/4 파 전압으로 스위칭되고 t3까지 약 1 캐비티 왕복 시간 이상 동안 그 전압에서 유지된다. 이것은 공진기 왕복 시간과 동일하거나 더 긴 광 펄스의 광학 에너지가 공진기로부터 추출되게 한다.
레이저 공진기는 초당 여러 차례 이러한 세 개의 연속 상태를 통해 순환되어 수 헤르츠 내지 수백 헤르츠의 반복 속도를 달성한다. 도 2에서 도표화된 포켈스 셀 전압 파형에는 t0, t1 및 t2 시점들에서 상대적으로 큰 전압 과도들을 갖는 세 개의 시점이 있다. 이러한 세 개의 시점에서 전압 과도들의 요건에는 큰 차이점들이 있다.
t0 과도는 홀드-오프 전압을 설정하고 t0 과도는 상대적으로 느린, 예를 들어, 마이크로 초 내지 수 밀리 초일 수 있다. 이득 매체의 펌핑은 홀드-오프 전압이 설정된 후에 시작하고 수백 마이크로 초를 지속한다.
t1 과도는 미리 결정된 양의 에너지가 이득 매체에 저장될 때 발생한다. 그 과도 동안, 공진기의 이득은 가장 높고 광학 필드는 소음 레벨로부터 구축된다. 더 긴 t1 과도는 공진기가 저손실 축적 상태에 도달하기 전에 공진기로부터 더 많은 에너지가 누출되게 할 것이다. Nd:YAG와 같은 고 이득 재료의 경우, t1 과도가 더 짧아지는 것이 유리하다. 알렉산드라이트와 같은 더 낮은 이득 재료는 더 긴 t1 과도, 예를 들어 수십 나노초에서 작동할 수 있다.
t2 과도는 서브 나노초 펄스 출력을 발생시키는 캐비티 덤핑 과도를 결정하므로, Q-스위치드 캐비티 덤핑 레이저의 동작을 가능하게 한다. 관련 기술분야에서 공지된 바와 같이, 소위 "완벽한 덤핑"은 "급작스럽게" 발생하고 출력 펄스 지속기간은 정확히 1 캐비티 왕복 시간이다. 본 개시내용에 따르면, 캐비티 덤핑을 위한 요건이 "급작스럽게"에서 캐비티 왕복 시간의 정도로 완화되면, 출력 레이저 펄스 지속기간은 도 3a 내지 도 3d에 예시된 바와 같이 1 캐비티 왕복 시간보다 약간 더 길어진다. 캐비티 덤핑 공진기로부터 계산된 전압 과도들(파선) 및 출력 펄스 형상들(실선)을 예시하는 도 3a 내지 도 3d에서, 시간 단위는 캐비티 왕복 시간 [trt]이다. 포켈스 셀 전압 과도들은 파선들로 표시되고, 전압 진폭은 포켈스 셀에 대해 1/4 파 전압(Vλ / 4)으로 정규화된다. 전압 과도 시간(τ10 - 90)은 전압이 1/4 파 전압의 10 %에서 90 %로 변동하는 데 필요한 시간으로서 정의된다. 과도 시간(τ10 - 90)은 캐비티 왕복 시간의 단위로 제시된다. 전압 과도의 중간 점, 즉 1/4 파 전압의 50 %는 플롯들의 일관성을 위해 N 번째 왕복에서 발생하도록 설정된다. 출력 펄스 형상은 실선으로 표시된다. 반치전폭(full width at half maximum)은 캐비티 왕복 시간의 단위로 계산된 τpulse로 표시된다. 도3a 내지 도 3d의 네 개의 경우 모두에서, 출력 펄스 에너지, 펄스 형상 곡선 아래의 면적은 동일하다.
도 3a는 급작 캐비티 덤핑 공진기(suddenly cavity-dumped resonator)를 나타낸다. 전압 과도는 단지 캐비티 왕복 시간의 10 %이고 출력 펄스 지속기간은 캐비티 왕복 시간보다 0.1 % 더 길다. 도 3b 내지 도 3d는 캐비티 왕복 시간 및 캐비티 왕복 시간보다 3 내지 34 % 더 긴 대응하는 출력 펄스 지속기간의 정도인 훨씬 더 실용적인 전압 과도들을 나타낸다. 예를 들어, 750 피코초 캐비티 왕복 시간을 갖는 공진기의 경우, 도 3b는 출력 펄스 지속기간이 약 772 피코초 펄스이고 바람직하다는 것을 보여준다. 도 3c는 허용 가능한 정도이지만, 사양 범위의 원하는 출력의 최고 단, 예를 들어, 약 900 피코초에 더 가깝다.
전압 과도들의 범위에 대해 계산된 출력 펄스 지속기간들은 도 4a에서 캐비티 왕복 시간 [trt]의 단위로 도표화된다. 도 4a는 캐비티 덤핑 출력 펄스 지속기간에 미치는 실제 포켈스 셀 전압 과도들의 영향을 요약한다. 예로서, 도 1에 도시된 예시적 레이저 공진기 및 왕복 시간이 746 ps인 표 1의 컴포넌트들을 사용할 때, 포켈스 셀 전압 과도가 캐비티 왕복 시간과 동일한 746 ps이면, 계산된 출력 펄스 지속기간은 768 ps인 1.03 왕복 시간이다. 이것은 실제 포켈스 셀 전압 과도를 갖는 예시적인 공진기에 대해 원하는 서브 나노초 출력 펄스 지속기간이다. 따라서, 예시적인 출력 펄스는 700 ps 내지 800 ps 이다. 하나의 양태에 따르면, 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 포켈스 셀의 서브 나노초 전압 과도 기술이 본 개시내용에 유용하다. 예를 들어, 그 전체가 참조로 포함되는 문헌[Bishop, A. I. 및 P. F. Barker "Subnanosecond Pockels cell switching using avalanche transistors." Review of scientific instruments 77.4(2006): 044701]에는 애벌랜치 트랜지스터들을 사용하는 서브 나노초 포켈스 셀 스위칭을 사용한 펄스 성형 및 펄스 종료의 방법들이 개시되어 있다.
하나의 양태에 따르면, 0 내지 1/4 파 전압(또는 QW 내지 0)의 포켈스 셀 전압 과도는 공진기에서 순환하는 에너지의 완전한 추출을 가능하게 하고 공진기 왕복 시간과 유사하고 도 4a에서 도표화된 것처럼 더 긴 출력 펄스 지속기간을 초래한다. 하나의 양태에 따르면, 1/4 파 전압보다 큰 전압 과도들을 포켈스 셀에 인가하고 순환 에너지의 일부를 공진기에 남겨둠으로써, 출력 펄스들이 공진기 왕복 시간보다 짧은 지속기간으로 발생될 수 있다. 1/4 파 전압보다 큰 이러한 전압 과도들 및 발생된 출력 펄스 형상들의 예들이 도 4b 내지 도 4e에 도표화된다. 이러한 모든 플롯에서, 펄스 형상은 좌측의 y 축을 사용하여 실선으로 도표화되고 전압 과도는 우측의 y 축을 사용하여 파선으로 도표화된다. 전압 과도들은 1/4 파 전압과 관련하여 정규화된다. 모든 플롯에서, 전압 과도 시간(τ10-90)및 출력 펄스(τpulse)의 반치전폭에서 전체 폭은 캐비티 왕복 시간의 단위로 계산된다. 출력 에너지 펄스 분율(εpulse)은 첫 번째 펄스만 고려하고 더 낮은 에너지의 사후 펄스(post pulse)들을 무시하여 계산된다.
도 4e는 사후 펄스들이 없고 펄스 지속기간이 공진기 왕복 시간의 약 절반인, 사용 가능한 순환 공진기 에너지의 56 %를 운반하는 흠잡을 데 없는 출력 펄스를 보여준다. 사후 펄스들의 부재는 도 1에 도시된 바와 같이, 포켈스 셀에 인가된 전압이 1/4 파 전압의 2 배 수준(즉, 반파 전압과 동일함)에 도달할 때, 공진기로부터의 에너지 추출은 없다.
도 4f는 포켈스 셀 과도 시간들 및 전압 진폭들의 범위에 대해 캐비티 왕복 시간의 단위의 계산된 출력 펄스 지속기간에 대한 등고선 플롯이다.
도 2의 시간(t2)에서 보여진 캐비티 덤핑에 필요한 0부터 1/4 파 전압까지의 포켈스 셀 전압 과도는 전자 설계하는데 있어서 1/4 파 전압으로부터 0 까지의 과도보다 일반적으로 더 어렵다. 하나의 양태에 따르면, 대안적인 공진기는 도 6에 도시된 바와 같이 대안적인 포켈스 셀 전압 파형을 초래하는 도 5에 도시된 바와 같은 1/4 파장 플레이트(33)(Q)를 추가함으로써 설계될 수 있다.
도 5의 실시양태는 전기적 관점에서 보아 상대적으로 간단한 방식으로 포켈스 셀이 방전될 수 있게 한다. 도 5에 도시된 컴포넌트들의 배열은 고 이득 재료, 예를 들어 Nd:YAG를 사용할 수 있다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 대안적인 공진기 레이아웃 및 포켈스 셀 전압 파형의 전자적 이득들은 공진기에서 여별로 추가된 컴포넌트, 즉 1/4 파장 플레이트의 단점들과 견주어진다. 여벌의 공진기 컴포넌트는 공진기 왕복 시간을 더 길어지게 하고 그래서 출력 펄스 지속기간은 고정된 포켈스 셀 전압 과도 시간 동안 더 길어진다. 또한, 1/4 파장 플레이트는 반사율이 정확히 0 %는 아니지만 매우 낮은 두 개의 여벌의 코팅된 표면을 공진기에 추가한다. 작은 공진기 손실들은, 특히 알렉산드라이트와 같은 저 이득 레이저 매체의 경우, Q-스위치드 캐비티 덤핑 레이저로부터의 출력 에너지에 큰 영향을 미친다.
예 II
예시적인 레이저 에너지 출력
Q-스위치드 캐비티 덤핑 공진기로부터의 출력 에너지는 문헌[Degnan IEEE Journal of Quantum Electronics v. 25p. 214, 그 전체가 참조로 포함됨]에 설명된 표준 능동 Q-스위치드 레이저 형식주의에 따라 계산될 수 있다. 순수 Q-스위치드 형식주의와의 주요한 차이점은 캐비티 덤핑 동작 모드의 경우, 캐비티 내 에너지 밀도가 피크에 도달할 때, 에너지가 캐비티로부터 추출된다는 것이다. 실제 설계에서, 시간(t2)에서 캐비티 덤프 과도를 트리거하기 위해 캐비티 내 에너지 밀도의 피크를 항상 감지할 필요는 없다. 예를 들어, t2에서 최대 캐비티 덤핑된 펄스 에너지를 위해 시간 지연(t2-t1)을 최적화할 수 있다.
대안적으로, 편광자로부터의 기생 반사 또는 엔드 미러들 중 하나로부터의 누출을 모니터링함으로써 캐비티 내 에너지 밀도의 변화율을 모니터링하는 것이 가능하다. 그러면 캐비티 내 에너지 밀도의 변화율이 0에 근사할 때 시간(t2)에서 캐비티 덤프 과도가 트리거될 것이다.
레이저 동작은 t0부터 t1까지의 홀드-오프 기간 동안 펌프 에너지 전달 및 이득 매체에 저장으로 시작된다. 펌프 에너지 소스는 플래시 램프들, LED들 또는 다른 레이저로 구성될 수 있다. 구체적으로, 반도체 레이저는 이득 재료의 흡수 대역들에 매칭될 수 있고 비교적 짧은 길이, 예를 들어 10 내지 40 mm의 이득 재료에서 90 % 초과의 펌프 전력 흡수를 제공할 수 있다. 이득 재료는 또한 앞에서 논의된 바와 같이 이색성 코팅을 가질 수 있다. 반도체 펌프 레이저는 이미터들의 어레이들로 구성될 수 있다. 개별 이미터들은 에지 이미터들 또는 수직 캐비티 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser)(VCSEL)들일 수 있다.
Q-스위치드 캐비티 덤핑 공진기의 성능은 레이저 재료의 자극 방출 단면(σ)에 따라 달라진다. 임의의 레이저 이득 재료에 대해 포화 플루언스(saturation fluence)(ESAT)라 부르는 재료 파라미터가 정의될 수 있다:
여기서 hν는 레이징 파장에 대한 광자 에너지이다.
t0부터 t1까지 홀드-오프 기간이 끝날 때, 이득 재료의 단위 면적당 저장되는 에너지는 Est이다. 단위 면적당 저장된 에너지와 포화 플루언스의 비율은 t1부터 t2까지 레이저 축적 상태의 초기 조건을 설명하는 편리한 파라미터이다. 무차원의 작은 신호 이득 파라미터(Est/ESAT)의 값들의 범위에 대한 예는 알렉산드라이트 및 Nd:YAG 크리스탈에 대해 도 7에서 도포화된다.
동일한 저장된 에너지에 대해 Est/ESAT가 10X를 초과한 만큼 차이가 나는 것은 주로 두 재료의 포화 플루언스의 큰 차이, 알렉산드라이트의 경우 26 J/cm², Nd:YAG의 경우 0.67 J/cm²로 인한 것이다. 에너지가 이득 매체에 저장된 후에, 에너지는 t1부터 t2까지의 축적 단계 동안 추출된 다음, t2부터 t3까지 공진기로부터 캐비티 덤핑된다. 에너지 추출 효율은 도 8에서 작은 자극 방출 단면, 큰 ESAT 재료 및 공진기 단일 통과 손실의 범위에 전형적인 Est/ESAT 범위에 대해 도표화된다.
도 8은 저 이득 재료들(예를 들어, 알렉산드라이트)의 사용을 도시하고, 특히 알렉산드라이트와 같은 저 이득 재료의 경우, 단일 통과 공진기 손실을 가능한 한 작게 유지하는 것의 중요성을 실증한다. 5 % 단일 통과 손실과 Est/ESAT의 도표화된 범위의 경우, 최대 에너지 변환 효율은 약 25 %이다. 그와 달리, 3 % 단일 패스 손실의 경우, 변환 효율은 최대 40 %가 될 수 있다. 단일 패스 공진기 손실에 대한 민감도가 큰 것은 축적 단계 동안 상대적으로 많은 횟수의 왕복으로 인한 것이다. 계산된 축적 왕복 횟수는 도 9에서 도포화된다.
도 8 및 도 9의 일관적인 경향은 Est/ESAT가 더 크고 단일 통과 손실이 더 작으면 축적 왕복 횟수가 더 적어지고 저장된 에너지가 더 효율적으로 추출되는 것이다. Q-스위치드 캐비티 덤핑 공진기의 에너지 추출 효율은 도 10에서 도표화된 바와 같이, 이득 매체가 더 큰 자극 방출 단면 및 더 작은 ESAT를 갖는 경우에 개선된다. 다른 한편, 더 큰 자극 방출 단면을 가진 이득 매체들은 기생 증폭된 자발 방출 및 홀드-오프 동안 사전 해제(preleasing)에 더 많은 어려움을 나타낸다.
알렉산드라이트 이득 매체를 사용하는 Q-스위치드 캐비티 덤핑 공진기는 다이오드 펌핑에 의해 자극될 수 있고 상대적으로 낮은 자극 방출 단면 및 상대적으로 짧은 저장 레벨 수명을 가질 수 있다. 홀드-오프 단계의 끝에서 달성된 알렉산드라이트 로드에서 계산된 작은 신호 이득(Est/ESAT)는 도 11에서 도표화된다.
도 11에서 도표화된 데이터는 무엇이 알렉산드라이트로 공진기를 구축하는 데 필요한지를 보여준다. 도 11은 7 mm 직경의 알렉산드라이트 로드 대 8 mm 로드 직경을 사용한 데이터를 보여준다. 동일한 펌핑 전력의 경우, 7 mm 로드의 이득은 8 mm 로드의 이득보다 약 24 % 더 크다. 증가된 이득은 7 mm 로드의 24 % 더 작은 영역 및 잠재적으로 24 % 더 높은 광학 코팅들을 로드에 적재하는 것에 견주되어야 한다.
도 11은 또한, 저장 레벨 수명이 200 μs 내지 260 μs인 알렉산드라이트 크리스탈의 경우, 정시 펌핑 시 600 μs(2 내지 3 수명)를 초과하여 추가되는 이득이 거의 없다는 것을 예시한다. 알렉산드라이트의 저장 레벨 수명 및 유도 방출 단면은 온도에 종속적이다. 이러한 두 파라미터에 대한 온도 종속성은 문헌[Shand et al., IEEE Journal of Quantum Electronics v. 19 p. 480, 그 전체가 참조로 포함됨]에 게시된 데이터에 기초하여 30℃내지 60℃사이에서 다항식들에 의해 근사화될 수 있다. Q-스위치드 캐비티 덤핑 공진기의 온도 설정 점은 최대 에너지 추출을 위해 최적화될 수 있다. 고정 다이오드 펌프 전력 및 온-타임에 대한 단일 통과 손실과 온도의 함수로서의 출력 에너지는 도 12에서 도표화된다.
도 12 플롯의 온도 종속성은 고려된 펌핑 조건들 및 결과적인 작은 신호 이득 하에서, 최대 에너지 출력을 위한 최적의 알렉산드라이트 온도가 5 % 단일 통과 손실의 경우에 약 50ºC로부터 2 % 단일 통과 손실의 경우에 약 35ºC로 옮겨진다는 것을 나타낸다. 더 중요한 것은 최적의 에너지 출력을 위한 온도 종속성은 상대적으로 느리게 변하는 함수라는 것이다. 이것은 Q-스위치드 캐비티 덤핑 알렉산드라이트 공진기 온도 제어가 온도를 ± 3℃내지 ± 5℃이내로 유지하고 출력 에너지를 ± 10 % 이내로 안정적으로 유지하도록 구축될 수 있다는 것을 의미한다.
예 III
예시적인 펌프 소스들
특정 양태들에 따르면, 이득 매체를 펌핑하기 위한 여러 상이한 광원이 고려될 수 있다. 본 명세서에서 예들로서 사용된 두 개의 이득 매체(Nd:YAG 및 알렉산드라이트)의 경우, 플래시 램프 펌핑은 200 mJ 이상의 레이저 출력을 생성하는 데 필요한 저장된 에너지를 생성할 수 있다. 하나의 양태에 따르면, 플래시 램프 및 이득 매체는 플래시 램프로부터의 광이 이득 매체를 사이드로부터 펌핑하는 전통적인 근접 결합식 냉각된 반사 펌프 챔버(close-coupled, cooled, reflective pump chamber)에 수용된다. 하나의 양태에 따르면, 플래시 램프는 이득 매체의 흡수 대역들과 겹치는 스펙트럼 출력을 제공한다. 전력 공급 장치는 플래시 램프를 구동하고 냉각 시스템은 시스템에서 발생된 열을 제거한다. 협 대역폭 펌프 소스들(예를 들어, LED들 및 다이오드 레이저)은 Nd:YAG 및 알렉산드라이트를 둘 모두 효율적으로 펌핑하는 데 사용될 수 있다. LED들은 Nd:YAG를 펌핑하는 데 사용되었고 알렉산드라이트를 펌핑하는 데 사용될 수 있지만, 낮은 LED 피크 전력은 200 mJ을 초과하는 레이저 출력을 생성하기 위해서는 충분한 개수의 이미터를 필요로 한다. 다이오드 레이저들은 Nd:YAG를 위해 잘 정립된 펌프 소스이다. 효율적인 고전력 다이오드 펌핑 레이저들을 생성하기 위해 다수의 기하학적 구조들 및 펌프 소스 구성들이 사용되었다.
펌프 소스로 사용하기에 적합한 다이오드 레이저 어레이는 10 Hz의 500 μs 펄스에서 10 kW 피크 전력을 발생시키는 820 nm에서 방출하는 24-바 다이오드 레이저 어레이(24-bar diode laser array)를 사용하여 만들었다. 어레이에는 두 개의 12-바 수냉식 스택이 나란히 포함되어 있다. 바들을 위한 슬롯들이 있는 두 개의 금 미러가 펌프 챔버로부터 빠져 나가는 광의 일부를 재귀 반사하도록 사용되었다. 이러한 예시적인 펌프 소스는 도 13에 예시된다. 도 13에 예시된 바와 같이, 10 kW 어레이에 의해 펌핑된 사이드 펌핑(side-pumped) Nd:YAG 레이저가 Q-스위치드 캐비티 덤핑 서브 나노초 레이저에서 사용하기 위한 이러한 설계의 적합성을 평가하기 위해 제작되었다. 펌프 챔버는 다이오드 어레이(38)로부터의 광을 챔버 쪽으로 결합하기 위해 사용된 광학 요소(36) 출력을 수용하기 위해 직사각형 구멍이 있는 3 cm 직경의 확산 반사 펌프 챔버(도시되지 않음) 내부의 수냉식 유동 튜브 내 9.5 mm 직경 x 80 mm 길이 Nd:YAG 로드(34)로 구성되었다. 하나의 실시양태에서, 광학 요소(36)는 프리즘이다. 대안적으로, 광학 요소(36)는 렌즈 또는 다수의 렌즈일 수 있다. 두 개의 12-바 스택들(40)은 도 14의 단부도에 도시된 바와 같이 23 x 23 mm2 NBK7 글래스 프리즘(36) 입력(42)에 배치되었다.
프리즘의 오목한 곡선(44)은 어레이에 의해 방출되는 고속 축(fast-axis) 광을 확장하여, 저속 축(slow-axis) 압축과 함께, 4 x 70 mm2 프리즘 출력이 채워지도록 하였다. 미러들(46과 48) 사이의 전체 Nd:YAG 로드 길이는 "홀드-오프" 상태(도 2 참조) 동안 기생 레이징을 초래할 수도 있는 높은 펌프 밀도의 영역들을 피하기 위해 균일하게 펌핑되었다. 펌프 챔버를 빠져 나가는 펌프 광의 양을 감소시키기 위해 추가 빔 압축이 바람직하지만, 저속 축 다이오드 광의 낮은 밝기로 인한 프리즘 손실들은 빔 폭의 추가 감소에 대비하여 가이드된다. 특정 양태들에 따르면, 많은 다른 광학 시스템(예를 들어, 포물선 선광기들, 원통형 및 구면 렌즈들의 다양한 조합 등)이 어레이로부터의 광을 펌프 챔버에 결합하는 데 사용될 수 있다.
펌프 챔버의 효율성을 평가하기 위해, 도 13에 도시된 다중 모드 레이저 캐비티는 500 μs 펄스 폭에서 10 Hz의 반복 속도로 동작하는 어레이와 함께 롱 펄스 모드(long-pulse mode)로 실행되었다. 레이저 성능은 도 15에 도시되며, 여기서 2.7J의 펌프 광(프리즘 출력에서 측정됨)에 대해 1 J의 최대 에너지가 발생되었다. 85 % 프리즘 투과를 고려하면, 전체 광학 대 광학 효율은 31 %이다. 전형적인 50 % 다이오드 어레이 전기 효율 대 광학 효율을 고려해 볼 때, 전체 효율(1064 nm 레이저 출력/어레이로의 전기 입력)은 16 %이며, 이것은 전형적인 플래시 램프 펌핑 Nd:YAG 레이저에서 관찰되는 약 6 % 효율보다 상당히 높다.
높은 펌핑 효율 외에도, 확산 펌프 챔버들의 또 다른 장점은 균일한 펌핑이다. 1 J에서 동작하는 Nd:YAG 레이저의 공간 빔 프로파일은 도 16에 도시되며, 여기서 우수한 공간 균질성은 Q-스위치드 캐비티 덤핑 서브 나노초 레이저로서 동작하는 동안 핫 스폿들의 형성을 방지할 것이다. 다이오드 펌핑 알렉산드라이트 레이저들은 앞에서 실증되었고(Scheps et al., "Alexandrite Laser Pumped by Semiconductor Lasers," Appl. Phys. Lett. 56(23), 2288-2290(1990), 그 전체가 참조로 포함됨), 그러나 높은 피크 전력 펌프 소스의 결여는 출력 전력을 제한했다. 650-680 nm 범위의 다이오드 레이저 바들을 생성하는 데 사용되는 GaInP/AlGaInP 재료 시스템은 알렉산드라이트 레이저들을 펌핑하는 데 사용되었다.
위에서 논의한 바와 같이, 필요한 어레이 피크 전력은 약 10 kW이며, 이것은 25개의 400 W 바를 필요로 한다. 알렉산드라이트 레이저의 경우, 크리스탈 축들을 따른 비대칭 펌프 흡수에 대응하기 위해 편광된 펌프 소스가 사용된다. 특정 양태들에 따르면, 300 W 초과의 피크 전력을 제공하는 바들이 제공될 수 있다.
하나의 양태에 따르면, 24-바 어레이(50)로부터의 광을 알렉산드라이트 크리스탈(52) 쪽으로 결합하기 위해 (위에서 논의된 사이드 펌핑과 비교할 때) 추가 광학계를 필요로 하는 도 17에 도시된 엔드 펌핑 구성이 제공된다. 이 경우, 크리스탈은 펌프 광이 b 축에 평행하게 편광되도록 절단된다. 예를 들어, 앞에서 확인된 최적의 7 mm 직경 로드의 경우, 펌프 에너지가 확실히 로드 직경 내에 쌓이도록 하기 위해 크리스탈에서 예시적인 스폿 크기는 5 x 5 mm2 미만이다. 고속 축 광을 5 mm 스폿에 효율적으로 결합하기 위해서는 모든 다이오드 레이저 바(50)의 시준이 필요하며, 이것은 (두 개의 12-바 스택이 서로 잘 정렬되어 있다고 가정하면) 바당 하나의 로드 렌즈(54) 또는 두 개의 바마다 하나의 로드 렌즈(54)로 달성될 수 있다. 일단 고속 축이 시준되면, 글래스 프리즘(56)이 로드 입력에서 5 x 5 mm2 스폿을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
이득 매체 길이와 도핑 및 펌프 파장은 펌프 광의 80 % 이상이 흡수되도록 선택된다. 이색성 미러(58)는 650-680 nm 펌프 파장 범위에서 투과시키고 750 nm 알렉산드라이트 레이저 파장에서 반사시킨다. 이색성 미러(58)는 최소 두께 및 가능하다면, 고 굴절률(예를 들어, 도핑되지 않은 YAG)을 가지며, 이색성 미러와 알렉산드라이트 로드(52) 사이의 거리는 펌프 빔이 프리즘(56)으로부터 알렉산드라이트 로드(52) 쪽으로 전파할 때 스폿 크기 확장을 최소화하기 위해 0.5 mm 미만이다.
단일 24-바 어레이에서 필요한 10 kW 피크 전력을 달성하는 것이 최적하지 않으면, 알렉산드라이트 흡수 대역 내 두 개의 상이한 파장들에서 동작하는 두 개의 5 kW 24-바 어레이의 출력을 결합하는 것이 가능하다. 예를 들어, 하나의 어레이가 650 nm에서 방출하고 제2 어레이가 동일한 선형 편광으로 670 nm에서 방출한다면, 두 어레이의 출력을 (적합한 빔 성형 광학계를 이용하여) 알렉산드라이트 로드를 엔드 펌핑하는데 사용될 수 있는 단일 빔으로 결합하기 위해 이색성 미러가 사용될 수 있다. 직교 선형 편광 상태들에서 650 및 670 nm에서 방출하는 두 개의 어레이를 결합한 다음 광학 회전기를 사용하여 두 빔 모두의 편광 방향을 평행하게 만드는 것이 또한 가능하다.
하나의 양태에 따르면, 단일 24-바 어레이에서 필요한 10 kW를 달성하는 것이 최적하지 않다면 사용될 수 있는 펌핑 구성이 도 18에 도시된다. 이 경우, 알렉산드라이트의 블록 또는 크리스탈(60)은 길이를 따라 가면서 레이징을 발생시키는 두 개의 24-바 5 kW 어레이(62)에 의해 사이드 펌핑된다. 각 어레이의 대향 측을 향하는 크리스탈(60)의 부분은 펌프 파장에서 높은 반사 및 레이징 파장에서 높은 투과를 위해 코팅된다. 레이징 파장에서 높은 투과는 기생 레이징의 가능성들을 줄여 홀드-오프 기간 동안 사용 가능한 반전을 감소시킨다. 엔드 펌핑된 기하학적 구조와 유사하게, 프리즘(64)(또는 다른 광학 수단)은 다이오드 어레이(62)로부터의 펌프 광을 크리스탈(60) 쪽으로 결합하는데 사용될 수 있다. 크리스탈 단면 및 도핑 레벨은 크리스탈을 두 번 통과한 이후 펌프 광이 80 %를 초과하여 흡수되도록 선택된다. 이 경우, 도 18에 도시된 100 % 반사율 미러(66)는 도 1의 미러(M2)를 대체한다. 미러(66)는 더 이상 펌프 파장에서 최소 반사율을 가질 필요가 없다. 레이저 캐비티 미러에 대한 펌프 투과 요건을 제거하는 이득은 중요하다. 필요한 400 W 바가 사용 가능하더라도, 사이드 펌핑 기하학적 구성은 여전히 최적의 선택일 수 있다. 이 경우, 각 어레이는 프리즘 입력에 위치한 12개의 바로 구성된다. 또한, 사이드 기하학적 구조는, 고속 축 발산이 프리즘을 통한 높은 투과를 유지할 만큼 충분히 낮으면, 고속 축 다이오드 광을 시준하기 위한 마이크로 광학계의 필요성을 없애준다.
하나의 양태에 따르면, 사이드 구성이 도 19에 도시된다. 도 18에 도시된 펌프 기하학적 구조와 유사하게, 두 개의 어레이(62)는 12개 또는 24개의 바로 구성된다. 단일 통과에서 흡수되지 않는 펌프 광은 대향하는 다이오드 어레이에 입사될 것이기 때문에, 각 다이오드 어레이 위에 금 코팅된 미러 마스크를 배치하는 것이 유리하다. 미러 마스크는 나가는 다이오드 광이 크리스탈(60)을 향해 전파될 수 있게 하는 슬릿들을 갖는다. 슬릿들의 면적을 최소화함으로써, 크리스탈(60)을 향해 다시 반사된 대향하는 어레이로부터 흡수되지 않은 다이오드 광의 양은 최대가 된다. 펌프가 통과하는 크리스탈 면들은 펌프 파장에 대해 반사 방지 코팅되어 있다.
(미러 마스크로부터 반사된 광을 포함하지 않는) 펌프 광이 이제는 (도 18에 도시된 기하학적 구조와 반대로) 단일 통과에서 흡수되기 때문에, 크리스탈 단면 및 도핑 레벨은 크리스탈을 통한 단일 통과 후에 펌프 광의 80 % 초과분이 흡수되도록 선택된다. 프리즘 출력의 폭은 크리스탈 길이와 명목상 매칭하기 위해 선택된다. 넓은 폭은 고속 축 발산이 높은 바들을 사용할 수 있게 한다. 또한, 도 18에 표시된 기하학적 구조를 참조하면, 각 어레이 대향하는 크리스탈 면상에 높은 반사율 코팅의 요건이 제거된다. 주요 단점은 펌프 광이 두 번 통과하는 대신에 단일 통과에서 흡수되어야 한다는 것이다. 흡수가 높으면 펌프 면들 근처에 펌프 강도가 높은 영역들이 생성되어, 레이저 빔에서 핫 스폿들을 발생시킬 수 있다.
수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL)들은 고체 상태 레이저들을 펌핑하는 데 전형적으로 사용되는 다이오드 레이저 바들의 대안이다. 이 경우, 25개의 5 x 5 mm2 칩(칩당 400W)의 어레이가 필요한 10 kW 피크 전력 펌프 소스를 생성하기 위해 사용된다. 각각의 칩은 수천 개의 이미터로 구성되어, 광학적 손상의 가능성들을 최소화한다. VCSEL들은 대형 웨이퍼들에서 성장된 다음 웨이퍼 레벨에서 테스트를 수행하여 칩들로 절단될 수 있다. 각각의 VCSEL 칩으로부터의 광의 발산은 (다이오드 레이저 바들과 달리) 대칭적이기 때문에, 광학 전달 시스템이 단순화된다. VCSEL 어레이의 출력을 알렉산드라이트 크리스탈 쪽으로 연결하기 위해 많은 상이한 광학 시스템(예를 들어, 2-렌즈 시스템, 프리즘들, 포물선 선광기들 등)이 사용될 수 있다.
예 IV
여기(excitation) 또는 펌프 소스에 대한 레이저 이득 매체의 횡방향 위치 설정
하나의 양태에 따르면, 본 명세서에 설명된 바와 같은 레이저 공진기의 서브 나노초 왕복 시간은 전기-광학 Q-스위치 및 다른 공진기 컴포넌트들의 길이에 따라, 20 mm 내지 40 mm의 길이를 갖는 종방향 레이저 이득 매체에 의해 달성될 수 있다. 본 개시내용의 양태들은 여기 또는 펌프 소스에 레이저 매체의 상대적 위치 설정에 관한 것이다. 예시적인 여기 또는 펌프 소스들은 본 명세서에 설명되고 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있고 플래시 램프를 포함한다. 원통 형상의 플래시 램프들은 나선 형상의 플래시 램프들과 마찬가지로, 관련 기술분야에서 공지되어 있다. 본 개시내용은 본질적으로 단일성이든 또는 여러 개 또는 복수의 개별 플래시 램프 또는 여기 에너지 소스로 구성되든 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 플래시 램프들을 고려한다는 것을 이해해야 한다. 본 개시내용은 하나 이상의 여기 또는 펌프 소스의 사용을 고려한다. 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 여기 소스들의 다양한 기하학적 구조들 또한 고려된다.
본 개시내용의 양태들은 (예를 들어, 여기 또는 펌프 소스의 기하학적 축이 레이저 매체의 광학 축에 평행하도록) 레이저 매체, 이를테면, 여기 에너지가 종방향 또는 원통형 레이저 매체의 길이를 따라 지향되도록 관련 기술분야에서 공지된 바와 같은 종방향 또는 원통형 레이저 매체에 평행한 종방향 여기 또는 펌프 소스와 같은, 여기 또는 펌프 소스의 위치 설정을 설명한다. 많은 플래시 램프 펌핑 레이저는 원통 형상을 갖는 크리스탈일 수 있는 이득 매체가 원통 형상의 플래시 램프(들)와 평행하게 위치하도록 구성된다. 하나 이상의 개별 여기 또는 펌프 소스들은 여기 에너지의 종방향 소스를 생성하기 위해 종방향 또는 원통형 레이저 매체의 길이를 따라 위치할 수 있다. 하나 이상의 여기 또는 펌프 소스들은 종방향 또는 원통형 레이저 매체의 동일한 측을 따라 또는 상이한 측들 상에 또는 길이의 상이한 부분들을 따라 위치할 수 있다. 여기 또는 펌프 소스들은 종방향 또는 원통형 레이저 매체의 대향하는 측들에 또는 종방향 또는 원통형 레이저 매체 주위의 임의의 위치 또는 장소에 위치할 수 있다. 여기 또는 펌프 소스들은 종방향 또는 원통형 레이저 매체를 둘러싸도록 위치할 수 있다. 여기 또는 펌프 소스들은 종방향 또는 원통형 레이저 매체 주위에서 서로 직각으로 위치할 수 있으며, 이를테면, 네 개의 여기 또는 펌프 소스들이 종방향 또는 원통형 레이저 매체의 길이를 따라 그리고 그 길이의 주위에 서로 직접 대향하여 위치할 수 있다. 여기 또는 펌프 소스들은 단일 여기 소스 또는 펌프 유닛이거나, 또는 복수의 여기 소스 또는 펌프 유닛일 수 있다. 여기 또는 펌프 소스들은 종방향 또는 원통형 레이저 매체를 넘어 연장될 수 있고, 종방향 또는 원통형 레이저 매체와 함께 종단될 수 있거나, 또는 종방향 또는 원통형 레이저 매체의 길이 내에 있을 수 있다. 기하학적 축이 이득 매체의 광학 축에 평행한 플래시 램프들은 공진기에서 이득 매체의 길이를 넘어 연장될 수 있고, 이득 매체의 길이와 함께 종단될 수 있거나, 이득 매체의 길이 내에 있을 수 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이 그리고 관련 기술 분야에서 공지된 바와 같이 여기 또는 펌프 소스로부터의 여기 에너지를 레이저 매체로 그 길이를 따라 보내거나 지향하는데 적합한 광학 요소들이 사용될 수 있다. 하나의 양태에 따르면, 이득 매체 및 플래시 램프(들)를 포함하는 레이저 헤드는 플래시 램프로부터 이득 매체 쪽으로 또는 로드의 길이를 통해 로드 쪽으로 에너지의 최적의 결합을 위해 최적화될 수 있다.
본 개시내용의 양태들은 또한 여기 또는 펌프 소스를 종방향 또는 원통형 레이저 매체의 하나의 단부에서 위치 설정하여 여기 에너지가, 이를테면 종방향 또는 원통형 레이저 매체의 광학 또는 기하학적 축을 따라, 종방향 또는 원통형 레이저 매체로 지향되고 그 단부를 통과하도록 하는 것을 설명한다. 본 명세서에 설명된 바와 같이 그리고 관련 기술 분야에서 공지된 바와 같이 여기 또는 펌프 소스로부터의 여기 에너지를 레이저 매체로 그 단부를 향해 보내거나 지향하고 레이저 이득 매체의 단부에 입력되게 하는데 적합한 광학 요소들이 사용될 수 있다. 하나의 양태에 따르면, 이득 매체 및 플래시 램프(들)를 포함하는 레이저 헤드는 플래시 램프들로부터 이득 매체 쪽으로 또는 그 단부를 통해 로드 쪽으로 에너지의 최적의 결합을 위해 최적화될 수 있다.
특정 실시양태에서, 레이저 이득 매체는 플래시 램프(들)와 같은 하나 이상의 방사선 소스, 또는 한 쌍 또는 복수의 방사선 소스를 포함할 수 있는 여기 또는 펌프 소스에 대해 횡방향으로 위치할 수 있다. 이러한 방식으로, 레이저 이득 매체의 일부는 여기 또는 펌프 소스에 의해 생성된 방사선에 직접 노출된다. 레이저 이득 매체의 일부는 여기 또는 펌프 소스에 의해 생성된 방사선에 직접 노출되지 않는다. 하나의 양태에 따르면, 레이저 이득 매체의 중간 부분은 여기 또는 펌프 소스에 의해 생성된 방사선에 직접 노출된다. 하나의 양태에 따르면, 레이저 이득 매체의 중심을 벗어난 부분은 여기 또는 펌프 소스에 의해 생성된 방사선에 직접 노출된다. 이러한 양태에 따르면, 여기 또는 펌프 소스는 레이징 매체의 광학 축을 가로지르는 축(예를 들어 기하학적 축)을 갖는 적어도 하나의 플래시 램프를 포함한다. 이러한 양태에 따르면, 여기 또는 펌프 소스는 한 쌍의 플래시 램프들을 포함하고, 각각의 플래시 램프는 레이징 매체의 광학 축을 가로지르는 축(예를 들어 기하학적 축)을 갖는다. 이러한 양태에 따르면, 여기 또는 펌프 소스는 복수의 플래시 램프를 포함하고, 각각의 플래시 램프는 레이징 매체의 광학 축을 가로지르는 축(예를 들어 기하학적 축)을 갖는다. 이러한 양태에 따르면, 종방향 레이저 이득 매체는 종방향 여기 또는 펌프 소스에 수직으로 위치된다. 관련 기술분야의 통상의 기술자는 수직 또는 횡방향 위치 설정이 정확히 90 도 오프셋일 필요는 없지만, 적합한 공차들 내에서 변동들이 허용된다는 것을 이해할 것이다.
하나의 양태에 따르면, 종방향 레이저 이득 매체는 종방향 여기 또는 펌프 소스에 대해 각도로 위치된다. 하나의 양태에 따르면, 종방향 레이저 이득 매체는 종방향 여기 또는 펌프 소스의 기하학적 축에 대해 어떤 각도로 위치하는 광학 축을 갖는다. 하나의 양태에 따르면, 각도는 0도 초과 90도 미만이고, 0 도는 평행한 배열이고 90 도는 횡방향 또는 수직 배열이다. 하나의 양태에 따르면, 각도는 30도 내지 90도 미만이다. 하나의 양태에 따르면, 각도는 60도 내지 90도 미만이다. 하나의 양태에 따르면, 각도는 30도 내지 60도이다. 하나의 양태에 따르면, 각도는 30도 내지 75도이다. 하나의 양태에 따르면, 레이저 이득 매체(예를 들어, 광학 축)의 각도는 여기 또는 펌프 소스(예를 들어, 기하학적 축)에 대해 30도 내지 150도이다. 하나의 양태는 단서(proviso)이고 그 각도가 90 도가 아니라는 것이다. 하나의 양태에 따르면, 레이저 이득 매체 (예를 들어, 광학 축)의 각도는 여기 또는 펌프 소스 (예를 들어, 기하학적 축)에 대해 60도 내지 120도이다. 하나의 양태는 단서이고 그 각도는 90 도가 아니라는 것이다. 하나의 양태에 따르면, 레이저 이득 매체 (예를 들어, 광학 축)의 각도는 여기 또는 펌프 소스 (예를 들어, 기하학적 축)에 대해 75도 내지 105도이다. 하나의 양태는 단서이고 그 각도는 90 도가 아니라는 것이다. 관련 기술분야의 통상의 기술자라면, 레이저 이득 매체를 종방향 여기 또는 펌프 소스에 대해 0도를 향해 90도 미만으로 기울이면(즉, 종방향 여기 또는 펌프 소스와 평행이 되는 쪽으로 기울이면) 레이저 이득 매체와 여기 소스가 평행에 가까워짐에 따라 레이저 이득 매체에 직접 충돌하는 여기 에너지가 증가한다는 것을 이해할 것이다.
하나의 양태에 따르면, 종방향 여기 또는 펌프 소스에 대한 종방향 레이저 이득 매체의 횡방향 또는 각도를 이룬 위치 설정은, 본 명세서에 설명된 바와 같은 플래시 램프(들)의 횡방향 위치 설정에 대한 커플링 효율이 본 명세서에 설명된 바와 같은 평행한 위치 설정에 비해 더 낮아질지라도, 적합한 레이저 헤드 설계에서 충분한 레이저 광을 생성한다.
도 20, 도 21 및 도 22는 일반적으로 두 개의 종방향 플래시 램프(72)를 도시하며, 각각의 플래시 램프는 종방향 레이저 이득 매체가 그 사이에 그리고 횡방향 방식으로 배치된 광학 축을 갖는 기하학적 축을 갖는다. 실시양태들은 플래시 램프들 및 레이저 이득 매체와 상호 작용하는 지지 구조 또는 냉각 구조가 다르다.
도 20에서 보는 바와 같은 레이저 헤드 설계의 하나의 특정 실시양태에 따르면, 종방향 레이저 이득 매체 또는 레이징 매체(70) 및 두 개의 종방향 플래시 램프(72)(상부 플래시 램프 및 하단 플래시 램프)는 냉각을 위한 물 유동을 제공하는 매니폴드(74)에 위치할 수 있다. 레이저 이득 매체와 그의 광학 축은 두 개의 플래시 램프 사이에 위치하고 두 개의 플래시 램프의 기하학적 축을 가로지른다. 특정 실시양태들에서, 매니폴드(74)는 글래스로 형성될 수 있다. 매니폴드(74)의 다른 적합한 재료들은, 본 개시내용의 이득을 고려해 볼 때, 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 쉽게 명백해질 것이다.
각각의 플래시 램프(72)는 매니폴드(74)에 형성된 플래시 램프 채널(76) 내에 위치되고 이를 통해 연장된다. 레이징 매체(70)는 매니폴드(74)에 형성된 레이징 채널(78) 내에 위치되고 이를 통해 연장되고, 레이징 채널(78)은 매니폴드(74)의 중앙 채널(80)을 통해 플래시 램프 채널들(76)에 대해 횡방향으로 연장된다. 물은 적합한 냉각을 제공하기 위해 공지된 방식으로 매니폴드(74)의 채널들에 공급될 수 있다. 이러한 횡방향 위치 설정의 방식에서, 종방향 레이저 이득 매체의 일부는 두 개의 종방향 여기 또는 펌프 소스로부터의 여기 에너지에 직접 노출된다. 이러한 횡방향 위치 설정의 방식에서, 종방향 레이저 이득 매체의 일부는 두 개의 종방향 여기 또는 펌프 소스로부터의 여기 에너지에 직접 노출되지 않는다. 이러한 횡방향 위치 설정의 방식에서, 종방향 레이저 이득 매체의 일부는 매니폴드 외부로 연장되고 두 개의 종방향 여기 또는 펌프 소스로부터 여기 에너지에 직접 노출되지 않는다.
횡방향 위치 설정의 실시양태에 따르면, 더 짧은 레이저 이득 매체는 여기 또는 펌프 소스들이 더 긴 레이저 이득 매체에 평행하게 배치되는 실시 양태들과 비교하여 상당한 레이저 광을 발생시키는 데 사용될 수 있다. 하나의 양태에 따르면, 플래시 램프에 횡방향으로 위치한 레이징 매체(70)로서 21 mm 알렉산드라이트 로드와 함께 2-인치 플래시 램프 아크 길이가 사용되었다. 21 mm 알렉산드라이트 로드에 저장된 에너지는 동일한 플래시 램프들이 80 mm 알렉산드라이트 로드의 길이와 평행하게 배치된 80 mm 알렉산드라이트 로드의 저장된 에너지의 약 50 %였다. 특정 실시양태에서, 확산 반사기가 매니폴드(74)의 외부 표면들상에 배치될 수 있다.
본 개시내용의 양태들은 서브 나노초 왕복 시간을 발생시키는 공진기 설계에 관한 것이다. 본 개시내용의 하나의 양태에 따르면, 레이징 또는 이득 매체 또는 로드에 평행하게 배치된 하나 이상의 플래시 램프 또는 여기 소스는 로드의 길이를 넘어 연장되고 공진기의 길이에 추가되어 공진기의 왕복 시간을 연장할 수 있다. 추가 플래시 램프 길이로 인한 공진기의 이러한 연장된 길이는 공진기가 서브 나노초 왕복 시간을 발생시키는 능력에 영향을 미칠 수 있다. 관련 기술 분야에서 공지된 바와 같이, 플래시 램프들은 방전을 위한 가스 혼합물을 둘러싸는 클래스 튜브 및 양쪽 단부들상의 두 개의 전극을 포함한다. 병렬 플래시 램프들의 예시적인 설계는 로드 길이를 방전 길이와 매칭시킬 것이고, 이로 인해 길이가 약 25 mm이고, 로드 길이를 넘어 연장될 수 있는 두 개의 전극을 남길 것이다. 하나의 양태에 따르면, 로드의 길이를 넘어 연장되는 플래시 램프들로 인한 추가 공진기 길이를 최소화하거나 방지하기 위해 하나 이상의 광학 요소가 플래시 램프들 사이에 위치될 수 있다. 이러한 양태에 따르면 그리고 도 1을 참조하면, 편광자 및 M2 미러는 플래시 램프들 사이의 로드에 매우 가깝게 위치될 수 있다. 그러나 이러한 설계는 플래시 램프들에 연결되는 300 내지 900 V 사이와 같은 고전압 전력 공급 장치뿐 아니라, 디바이스의 수냉을 위한 구조로 인해 복잡성을 추가시킨다.
도 21에 도시된 레이저 헤드 설계의 대안적인 실시양태에 따르면, 도 20에 설명된 두 플래시 램프(72)는 모두 세라믹 확산 반사기(84)를 통해 연장될 수 있다. 플래시 램프들(72)은 세라믹 확산 반사기(84)에 형성된 단일 플래시 램프 채널(86)을 통해 병렬로 연장될 수 있다. 도 20에 설명된 레이징 매체(70)는 세라믹 확산 반사기(84)에 형성된 레이징 매체 채널(88)을 통해 연장될 수 있으며, 레이징 매체 채널(88)은 플래시 램프 채널(86)에 대해 횡방향으로 연장된다. 레이징 매체(70)가 알렉산드라이트로 형성되는 경우, 세라믹 재료는 알렉산드라이트 펌핑 대역들에서 높은 반사율을 위해 선택되어 허용 가능한 수명을 제공할 수 있다.
도 22에 도시된 레이저 헤드 설계의 대안적인 실시양태에 따르면, 도 20에 설명된 플래시 램프들(72)은 개별 글래스 플래시 램프 유동 튜브들(90)을 통해 연장될 수 있다. 도 20에 설명된 레이징 매체(70)는 글래스 레이징 매체 유동 튜브(92) 내에 안착되며, 레이징 매체(70) 및 레이징 유동 튜브(92)는 플래시 램프들(72) 및 플래시 램프 유동 튜브들(90)에 대해 횡방향으로 연장된다. 유동 튜브들(90 및 92)은 원하는 대로 형상화될 수 있다는 것을 인식하여야 한다. 예시된 실시양태에서, 플래시 램프 유동 튜브들(90)은 원통형 튜브들인 반면, 레이징 유동 튜브(92)는 레이징 매체(70) 및 횡방향 플래시 램프들(72) 및 플래시 램프 유동 튜브들(90)의 콤팩트한 위치 설정을 가능하게 하는 모래 시계 형상을 갖는다. 레이징 유동 튜브(92)는 또한 물이 레이징 유동 튜브(92)에 제공될 때 누출을 방지하는 O-링들을 수용하기 위해 그의 대향 단부들에서 주변 채널들(94)을 포함할 수 있다. 플래시 램프 유동 튜브들(90) 및 레이징 매체 유동 튜브(92)는 레이저 헤드 설계에 따라 지지되고 각각 상이한 형상들을 가질 수 있으며, 다른 적합한 형상들은, 본 개시내용의 혜택을 고려해 볼 때, 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 쉽게 명백해질 것이다.
예 V
용도들
본 명세서에 설명된 레이저 장치는 200 내지 800 mJ/펄스로 100 내지 900 ps의 펄스 지속기간을 갖는 펄스 레이저 에너지를 발생시키는 데 사용된다. 레이저 장치는 두 개의 실질적으로 전반사하는 미러가 그 광학 축의 대향 단부들에 있는 공진기를 포함한다. 알렉산드라이트 크리스탈 레이징 매체, 편광자 및 포켈스 셀은 이러한 광학 축을 따라 배치된다. 700 내지 800 nm 범위의 파장을 갖는 레이저 에너지를 발생시키는 알렉산드라이트 레이징 매체를 펌핑하기 위한 광학 플래시 램프가 또한 포함된다.
위에서 설명한 펄스 레이저 에너지는 서브 나노초 왕복 시간을 갖는 레이저 공진기 내의 레이징 매체를 펌핑하고 레이저 에너지를 Q-스위칭하고 캐비티 덤핑하여 서브 나노초 펄스 지속기간을 갖는 출력 펄스를 생성함으로써 발생된다.
위에서 설명한 바와 같은 펄스 지속기간 및 에너지를 갖는 레이저 에너지는 문신의 제거를 위한 치료를 받고 있는 환자에게 적용된다. 이러한 레이저 에너지는 원하지 않는 문신 색소 입자들이 있는 피부의 모든 영역에 30 분 치료 세션 동안 적용된다. 이러한 입자들의 광기계적 파괴는 2 내지 4 J/cm2 범위의 플루언스와 함께, (타겟팅된 문신 색소 입자들을 통과하는 음파의 주행 시간과 유사한) 짧은 펄스 지속기간을 사용하여 수행된다. 이러한 플루언스는 약 5 mm의 레이저 에너지 스폿 직경으로 달성된다.
원하지 않는 문신 색소 입자들의 전부는 아니지만 대부분은 한 두 번의 치료를 사용하여 효과적으로 광역학적으로 파괴되고, 불안정화되고 및/또는 해체된다. 결과적으로, 파괴된 입자들은 면역 반응과 같은 정상적인 생리적 프로세스들을 통해 신체에서 제거된다. 따라서 문신은 남아 있는 눈에 띄는 흔적들 없이 결국 피부에서 제거된다. 이러한 방식으로, 본 명세서에 설명된 다양한 방법은 문신 입자들과 같은 색소 착색된 입자들을 치료 또는 제거하기 위한 방법들로 간주된다.
예 V
실시양태들
본 개시내용의 양태들은 1 나노초 미만의 펄스 지속기간을 갖는 레이저 에너지를 발생시키기 위한 레이저 발진기에 관한 것이다. 레이저 발진기는 (a) 하우징 내의 제1 미러 및 제2 미러 - 제1 미러 및 제2 미러는 제1 미러와 제2 미러 사이의 축을 따르는 레이저 방사선에 대해 서브 나노초 왕복 시간을 제공함 -; (b) 축을 따라 제1 미러와 제2 미러 사이에 위치하는 전기-광학 디바이스, 편광자 및 레이징 매체; (c) 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 펌프 소스를 포함하고; 및 (d) 레이저 발진기는 홀드-오프, 축적 및 캐비티 덤핑을 포함하는 적어도 세 개의 연속 상태를 통해 진행할 수 있다. 하나의 양태에 따르면, 캐비티 덤핑 상태는 이상적인 스텝 함수 과도 시간(ideal step function transient time)보다 큰 허용 가능 과도 시간들의 범위를 갖는다. 하나의 양태에 따르면, 캐비티 덤핑 상태는 이상적인 스텝 함수 과도 시간보다 큰 허용 가능 과도 시간들의 범위를 가지며, 허용 가능 과도 시간들의 범위는 1 왕복 시간 내지 2.5 왕복 시간을 범위로 하는 출력 펄스 지속기간들을 발생시키는 0.5 왕복 시간 내지 5 왕복 시간을 포함하고, 왕복 시간은 서브 나노초이다. 하나의 양태에 따르면, 제1 미러 및 제2 미러는 하우징 내에서 서브 나노초 왕복 시간을 갖는 정적 공진기 챔버를 정의하도록 고정된다. 하나의 양태에 따르면, 레이징 매체는 알렉산드라이트, Ti:S, Nd:YAG, Nd:YAP, Nd:YAlO3, Nd:YLF, 희토류 또는 전이 금속 이온 도펀트로 도핑된 이트륨-알루미늄 가넷, 희토류 또는 전이 금속 이온 도펀트로 도핑된 이트륨-알루미늄 페로브스카이트, 희토류 또는 전이 금속 이온 도펀트로 도핑된 이트륨 알루미늄 산화물, 바나데이트 크리스탈, YVO4, 플루오라이드 글래스들, ZBLN, 실리카 글래스들, 미네랄들, 루비, 크리스탈들 또는 글래스 매체 호스트들을 포함한다. 하나의 양태에 따르면, 전기-광학 디바이스는 포켈스 셀이다. 하나의 양태에 따르면, 서브 나노초 왕복 시간은 500 내지 900 ps이다. 하나의 양태에 따르면, 서브 나노초 왕복 시간은 700 내지 800 ps이다. 하나의 양태에 따르면, 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 펌프 소스는 레이징 매체의 종방향 측을 따라 펌핑 방사선을 제공한다. 하나의 양태에 따르면, 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 펌프 소스는 광학 요소를 통해 레이징 매체의 종방향 측을 따라 펌핑 방사선을 제공한다. 하나의 양태에 따르면, 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 펌프 소스는 프리즘을 통해 레이징 매체의 종방향 측을 따라 펌핑 방사선을 제공한다. 하나의 양태에 따르면, 펌프 소스는 레이징 매체의 광학 축을 가로지르는 축을 갖는 적어도 하나의 플래시 램프를 포함한다. 하나의 양태에 따르면, 펌프 소스는 한 쌍의 플래시 램프들을 포함하고, 각각의 플래시 램프는 레이징 매체의 광학 축을 가로지르는 축을 갖는다. 하나의 양태에 따르면, 펌프 소스는 복수의 플래시 램프를 포함하고, 각각의 플래시 램프는 레이징 매체의 광학 축을 가로지르는 축을 갖는다. 하나의 양태에 따르면, 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 펌프 소스는 광학 요소를 통해 레이징 매체의 대향하는 종방향 측들을 따라 펌핑 방사선을 제공하는 두 개의 펌프 소스를 포함한다. 하나의 양태에 따르면, 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 펌프 소스는 광학 요소를 통해 레이징 매체의 단부를 따라 펌핑 방사선을 제공한다. 하나의 양태에 따르면, 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 펌프 소스는 프리즘을 통해 레이징 매체의 단부를 따라 펌핑 방사선을 제공한다.
본 개시내용의 양태들은 서브 나노초 펄스 레이저 에너지를 발생시키는 방법에 관한 것이다. 방법은 (a) 한쪽 단부에 있는 제1 미러, 대향 단부에 있는 제2 미러를 갖는 공진기, 레이징 매체, 편광자 및 그 사이에 배치된 전기-광학 디바이스를 제공하는 단계 - 공진기는 1 나노초 미만의 캐비티 왕복 시간을 갖고, 레이징 매체는 레이징 매체에 동작 가능하게 연결된 펌프 소스에 의해 펌핑됨 -; (b) 제1 전압을 전기-광학 디바이스에 인가하여 에너지를 레이징 매체로 펌핑하는 동안 공진기에서 레이저 발진을 홀드 오프하는 단계; (c) 제2 전압을 전기-광학 디바이스에 인가하여 공진기 내에 레이저 에너지를 축적하는 단계; 및 (d) 제3 전압을 전기-광학 디바이스에 인가하여 공진기로부터 레이저 에너지의 일부를 캐비티 덤핑하는 단계를 포함한다. 하나의 양태에 따르면, 전기-광학 디바이스에 인가되는 제3 전압은 1/4 파 전압(Vλ/4)이다. 하나의 양태에 따르면, 제2 인가 전압과 제3 인가 전압 사이의 과도 시간은 이상적인 스텝 함수 과도 시간보다 크다. 하나의 양태에 따르면, 제2 인가 전압과 제3 인가 전압 사이의 과도 시간은 이상적인 스텝 함수 과도 시간보다 크고, 허용 가능 과도 시간들의 범위는 1 왕복 시간 내지 2.5 왕복 시간을 범위로 하는 출력 펄스 지속기간들을 발생시키는 0.5 왕복 시간 내지 5 왕복 시간을 포함하고, 왕복 시간은 서브 나노초이다. 하나의 양태에 따르면, 펄스 레이저 에너지는 100 ps 내지 900 ps의 펄스 지속기간을 갖는다. 하나의 양태에 따르면, 펄스 레이저 에너지는 200 ps 내지 800 ps의 펄스 지속기간을 갖는다. 하나의 양태에 따르면, 펄스 레이저 에너지는 600 ps 내지 800 ps의 펄스 지속기간을 갖는다. 하나의 양태에 따르면, 펄스 레이저 에너지는 적어도 100 mJ/펄스를 갖는다. 하나의 양태에 따르면, 펄스 레이저 에너지는 200 내지 800 mJ/펄스를 갖는다. 하나의 양태에 따르면, 제1 미러 및 제2 미러는 하우징 내에서 서브 나노초 왕복 시간을 갖는 정적 공진기 챔버를 정의하도록 고정된다. 하나의 양태에 따르면, 레이징 매체는 알렉산드라이트, Ti:S, Nd:YAG, Nd:YAP, Nd:YAlO3, Nd:YLF, 희토류 또는 전이 금속 이온 도펀트로 도핑된 이트륨-알루미늄 가넷, 희토류 또는 전이 금속 이온 도펀트로 도핑된 이트륨-알루미늄 페로브스카이트, 희토류 또는 전이 금속 이온 도펀트로 도핑된 이트륨 알루미늄 산화물, 바나데이트 크리스탈, YVO4, 플루오라이드 글래스들, ZBLN, 실리카 글래스들, 미네랄들, 루비, 크리스탈들 또는 글래스 매체 호스트들을 포함한다. 하나의 양태에 따르면, 전기-광학 디바이스는 포켈스 셀이다. 하나의 양태에 따르면, 서브 나노초 왕복 시간은 500 내지 900 ps이다. 하나의 양태에 따르면, 서브 나노초 왕복 시간은 700 내지 800 ps이다. 하나의 양태에 따르면, 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 펌프 소스는 레이징 매체의 종방향 측을 따라 펌핑 방사선을 제공한다. 하나의 양태에 따르면, 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 펌프 소스는 광학 요소를 통해 레이징 매체의 종방향 측을 따라 펌핑 방사선을 제공한다. 하나의 양태에 따르면, 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 펌프 소스는 프리즘을 통해 레이징 매체의 종방향 측을 따라 펌핑 방사선을 제공한다. 하나의 양태에 따르면, 펌프 소스는 레이징 매체의 광학 축을 가로지르는 축을 갖는 적어도 하나의 플래시 램프를 포함한다. 하나의 양태에 따르면, 펌프 소스는 한 쌍의 플래시 램프들을 포함하고, 각각의 플래시 램프는 레이징 매체의 광학 축을 가로지르는 축을 갖는다. 하나의 양태에 따르면, 펌프 소스는 복수의 플래시 램프를 포함하고, 각각의 플래시 램프는 레이징 매체의 광학 축을 가로지르는 축을 갖는다. 일 양태에 따르면, 레이징 매체에 작동 가능하게 결합된 펌프 소스는 광학 요소를 통해 레이징 매체의 대향하는 종방향 측들을 따라 펌핑 방사선을 제공하는 두 개의 펌프 소스를 포함한다. 하나의 양태에 따르면, 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 펌프 소스는 광학 요소를 통해 레이징 매체의 단부를 따라 펌핑 방사선을 제공한다. 하나의 양태에 따르면, 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 펌프 소스는 프리즘을 통해 레이징 매체의 단부를 따라 펌핑 방사선을 제공한다.
본 개시내용의 양태들은 서브 나노초 펄스 레이저 에너지를 생성하고 색소 착색된 피부를 치료하는 방법을 포함한다. 방법은 (a) 한쪽 단부에 있는 제1 미러, 대향 단부에 있는 제2 미러를 갖는 공진기, 레이징 매체, 편광자 및 그 사이에 배치된 전기-광학 디바이스를 제공하는 단계 - 공진기는 1 나노초 미만의 캐비티 왕복 시간을 갖고, 레이징 매체는 레이징 매체에 동작 가능하게 연결된 펌프 소스에 의해 펌핑됨 -; (b) 제1 전압을 전기-광학 디바이스에 인가하여 에너지를 레이징 매체로 펌핑하는 동안 공진기에서 레이저 발진을 홀드 오프하는 단계; (c) 제2 전압을 전기-광학 디바이스에 인가하여 공진기 내에 레이저 에너지를 축적하는 단계; 및 (d) 제3 전압을 전기-광학 디바이스에 인가하여 공진기로부터 레이저 에너지의 일부를 캐비티 덤핑하는 단계; 및 (e) 환자의 색소 착색된 피부를 많아야 990 ps의 지속기간 및 적어도 10 mJ/펄스의 에너지를 갖는 펄스들로 레이저 에너지에 노출시키는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 양태들은 피부 색소 침착을 치료하기 위한 방법을 포함하고, 방법은 (a) 공진기의 한쪽 단부에 있는 제1 미러와 상기 공진기의 대향 단부에 있는 제2 미러 사이에서 레이징 매체에 의해 그리고 공진기 내의 편광자 및 전기-광학 디바이스를 통해 생성되는 레이저 에너지를 반사하는 단계 - 공진기는 1 나노초 미만의 캐비티 왕복 시간을 갖고, 레이징 매체는 레이징 매체에 동작 가능하게 연결된 펌프 소스에 의해 펌핑됨 -; (b) 전기-광학 디바이스에 제1 정전압을 인가함으로써 공진기 내의 레이저 에너지를 증폭하는 단계; (c) 공진기를 Q-스위칭하는 단계; 및 (d) 그 다음에 전기-광학 디바이스에 1/4 파 전압(Vλ / 4)을 인가함으로써 공진기로부터 증폭된 레이저 에너지를 캐비티 덤핑하는 단계; 환자의 색소 착색된 피부를 많아야 990 ps의 지속기간 및 적어도 10 mJ/펄스의 에너지를 갖는 펄스들로 펄스 레이저 에너지에 노출시키는 단계를 포함한다.
위에 비추어 볼 때, 몇몇 이점이 달성될 수 있고 다른 유리한 결과들이 획득될 수 있다는 것을 알 것이다. 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 위의 장치들 및 방법들에서 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 위에 설명된 모든 이론적 메커니즘 및/또는 상호작용 모드를 비롯하여 본 출원에 포함된 모든 사안은 단지 예시적인 것으로 해석되어야 하고 첨부된 청구 범위의 범위를 어떤 식 으로든 제한하지 않는다는 것으로 의도된다.
본 개시내용의 전반에 걸쳐, 다양한 양태가 범위 형식으로 제시된다. 범위에 관한 설명은 가능한 모든 하위 범위뿐만 아니라 그 범위 내의 개개의 숫자 값들을 구체적으로 공개한 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, 1 내지 6과 같은 범위의 설명은 1 내지 3, 1 내지 4, 1 내지 5, 2 내지 4, 2 내지 5, 3 내지 6 등 뿐만 아니라, 그 범위 내의 개개의 정수들 및 분수들, 예를 들어 1, 2, 2.6, 3, 4, 5 및 6과 같은 하위 범위들을 구체적으로 공개한 것으로 간주되어야 한다. 이것은 범위의 폭에 관계없이 적용된다.
따라서, 다양한 실시양태의 근본적인 새로운 특징들이 도시되고, 설명되고, 지적되었지만, 예시된 디바이스들의 형태와 세부 사항 및 그 동작에 있어서 다양한 생략, 대체 및 변경이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 실질적으로 동일한 방식으로 실질적으로 동일한 기능을 수행하여 동일한 결과들을 달성하는 그러한 요소들 및/또는 단계들의 모든 조합은 본 발명의 범위 내에 있다는 것이 명백히 의도된다. 하나의 설명된 실시양태로부터 다른 실시양태로 요소들의 대체들은 또한 완전히 의도되고 고려된다. 그러므로, 본 명세서에 첨부된 청구항들의 범위에 의해 표시된 대로만 제한된다는 것이 의도된다.

Claims (50)

1 나노초 미만의 펄스 지속기간을 갖는 레이저 에너지를 발생시키기 위한 레이저 발진기로서,
(a) 하우징 내의 제1 미러 및 제2 미러 - 상기 제1 미러 및 상기 제2 미러는 상기 제1 미러와 상기 제2 미러 사이의 축을 따르는 레이저 방사선에 대해 서브 나노초 왕복 시간을 제공함 -;
(b) 상기 축을 따라 상기 제1 미러와 상기 제2 미러 사이에 위치하는 전기-광학 디바이스, 편광자 및 레이징 매체; 및
(c) 상기 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 펌프 소스
를 포함하고,
(d) 상기 레이저 발진기는 홀드-오프(hold-off) 상태, 축적(buildup) 상태 및 캐비티 덤핑(cavity dumping) 상태를 포함하는 적어도 세 개의 연속 상태를 통해 진행할 수 있고,
상기 캐비티 덤핑 상태는 이상적인 스텝 함수 과도 시간(ideal step function transient time)보다 큰 허용 가능 과도 시간들의 범위를 갖는, 레이저 발진기.
삭제
제1항에 있어서,
상기 캐비티 덤핑 상태는 상기 이상적인 스텝 함수 과도 시간보다 큰 허용 가능 과도 시간들의 범위를 가지며, 허용 가능 과도 시간들의 범위는 1 왕복 시간 내지 2.5 왕복 시간을 범위로 하는 출력 펄스 지속기간들을 발생시키는 0.5 왕복 시간 내지 5 왕복 시간을 포함하고, 상기 왕복 시간은 서브 나노초인, 레이저 발진기.
제1항에 있어서,
상기 제1 미러 및 상기 제2 미러는 상기 하우징 내에서 서브 나노초 왕복 시간을 갖는 정적 공진기 챔버를 정의하도록 고정되는, 레이저 발진기.
제1항에 있어서,
상기 레이징 매체는 알렉산드라이트(Alexandrite), Ti:S, Nd:YAG, Nd:YAP, Nd:YAlO3, Nd:YLF, 희토류 또는 전이 금속 이온 도펀트로 도핑된 이트륨-알루미늄 가넷, 희토류 또는 전이 금속 이온 도펀트로 도핑된 이트륨-알루미늄 페로브스카이트, 희토류 또는 전이 금속 이온 도펀트로 도핑된 이트륨 알루미늄 산화물, 바나데이트 크리스탈, YVO4, 플루오라이드 글래스들, ZBLN, 실리카 글래스들, 미네랄들, 루비, 크리스탈들 또는 글래스 매체 호스트들을 포함하는, 레이저 발진기.
제1항에 있어서,
상기 전기-광학 디바이스는 포켈스 셀(Pockels cell)인, 레이저 발진기.
제1항에 있어서,
상기 서브 나노초 왕복 시간은 500 내지 900 ps인, 레이저 발진기.
제1항에 있어서,
상기 서브 나노초 왕복 시간은 700 내지 800 ps인, 레이저 발진기.
제1항에 있어서,
상기 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 상기 펌프 소스는 상기 레이징 매체의 종방향 측을 따라 펌핑 방사선을 제공하는, 레이저 발진기.
제1항에 있어서,
상기 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 상기 펌프 소스는 광학 요소를 통해 상기 레이징 매체의 종방향 측을 따라 펌핑 방사선을 제공하는, 레이저 발진기.
제1항에 있어서,
상기 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 상기 펌프 소스는 프리즘을 통해 상기 레이징 매체의 종방향 측을 따라 펌핑 방사선을 제공하는, 레이저 발진기.
제1항에 있어서,
상기 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 상기 펌프 소스는 광학 요소를 통해 상기 레이징 매체의 대향하는 종방향 측들을 따라 펌핑 방사선을 제공하는 두 개의 펌프 소스를 포함하는, 레이저 발진기.
제1항에 있어서,
상기 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 상기 펌프 소스는 광학 요소를 통해 상기 레이징 매체의 단부를 따라 펌핑 방사선을 제공하는, 레이저 발진기.
제1항에 있어서,
상기 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 상기 펌프 소스는 프리즘을 통해 상기 레이징 매체의 단부를 따라 펌핑 방사선을 제공하는, 레이저 발진기.
제1항에 있어서,
상기 펌프 소스는 상기 레이징 매체의 광학 축을 가로지르는 축을 갖는 적어도 하나의 플래시 램프를 포함하는, 레이저 발진기.
제1항에 있어서,
상기 펌프 소스는 한 쌍의 플래시 램프들을 포함하고, 각각의 플래시 램프는 상기 레이징 매체의 광학 축을 가로지르는 축을 갖는, 레이저 발진기.
제1항에 있어서,
상기 펌프 소스는 복수의 플래시 램프를 포함하고, 각각의 플래시 램프는 상기 레이징 매체의 광학 축을 가로지르는 축을 갖는, 레이저 발진기.
제1항에 있어서,
상기 펌프 소스는 매니폴드 및 한 쌍의 플래시 램프들을 포함하고, 각각의 플래시 램프는 상기 매니폴드의 플래시 램프 채널을 통해 연장되고, 상기 레이징 매체는 상기 매니폴드의 레이징 채널을 통해 연장되고, 상기 레이징 매체 및 레이징 채널은 상기 플래시 램프들 및 플래시 램프 채널에 대해 횡방향으로 연장되는, 레이저 발진기.
제1항에 있어서,
상기 펌프 소스는 세라믹 확산 반사기 및 한 쌍의 플래시 램프들을 포함하고, 각각의 플래시 램프는 상기 세라믹 확산 반사기의 플래시 램프 채널을 통해 연장되고, 상기 레이징 매체는 상기 세라믹 확산 반사기의 레이징 채널을 통해 연장되고, 상기 레이징 매체 및 레이징 채널은 상기 플래시 램프들 및 플래시 램프 채널에 대해 횡방향으로 연장되는, 레이저 발진기.
제1항에 있어서,
상기 펌프 소스는 한 쌍의 플래시 램프들을 포함하고, 각각의 플래시 램프는 플래시 램프 유동 튜브를 연장하고, 상기 레이징 매체는 레이징 유동 튜브를 통해 연장되고, 상기 레이징 매체 및 레이징 유동 튜브는 상기 플래시 램프들 및 플래시 램프 유동 튜브들에 대해 횡방향으로 연장되는, 레이저 발진기.
제20항에 있어서,
상기 레이징 유동 튜브는 모래 시계 형상을 갖고 그의 대향 단부들에서 주변 채널들을 포함하는, 레이저 발진기.
서브 나노초 펄스 레이저 에너지를 발생시키는 방법으로서,
(a) 한쪽 단부에 있는 제1 미러, 대향 단부에 있는 제2 미러, 이들 사이에 배치된 레이징 매체, 편광자 및 전기-광학 디바이스를 갖는 공진기를 제공하는 단계 - 상기 공진기는 1 나노초 미만의 캐비티 왕복 시간을 갖고, 상기 레이징 매체는 상기 레이징 매체에 동작 가능하게 연결된 펌프 소스에 의해 펌핑됨 -;
(b) 제1 전압을 상기 전기-광학 디바이스에 인가하여 에너지를 상기 레이징 매체로 펌핑하는 동안 상기 공진기에서 레이저 발진을 홀드 오프하는 단계;
(c) 제2 전압을 상기 전기-광학 디바이스에 인가하여 상기 공진기 내에 레이저 에너지를 축적하는 단계; 및
(d) 제3 전압을 상기 전기-광학 디바이스에 인가하여 상기 공진기로부터 상기 레이저 에너지의 일부를 캐비티 덤핑하는 단계
를 포함하고,
상기 제2 인가 전압과 상기 제3 인가 전압 사이의 과도 시간은 이상적인 스텝 함수 과도 시간보다 큰, 방법.
제22항에 있어서,
상기 전기-광학 디바이스에 인가되는 상기 제3 전압은 1/4 파 전압(Vλ / 4)인, 방법.
삭제
제22항에 있어서,
상기 제2 인가 전압과 상기 제3 인가 전압 사이의 상기 과도 시간은 이상적인 스텝 함수 과도 시간보다 크고, 허용 가능 과도 시간들의 범위는 1 왕복 시간 내지 2.5 왕복 시간을 범위로 하는 출력 펄스 지속기간들을 발생시키는 0.5 왕복 시간 내지 5 왕복 시간을 포함하고, 상기 왕복 시간은 서브 나노초인, 방법.
제22항에 있어서,
상기 펄스 레이저 에너지는 100 ps 내지 900 ps의 펄스 지속기간을 갖는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 펄스 레이저 에너지는 200 ps 내지 800 ps의 펄스 지속기간을 갖는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 펄스 레이저 에너지는 600 ps 내지 800 ps의 펄스 지속기간을 갖는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 펄스 레이저 에너지는 적어도 100 mJ/펄스를 갖는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 펄스 레이저 에너지는 200 내지 800 mJ/펄스를 갖는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 제1 미러 및 상기 제2 미러는 하우징 내에서 서브 나노초 왕복 시간을 갖는 정적 공진기 챔버를 정의하도록 고정되는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 레이징 매체는 알렉산드라이트, Ti:S, Nd:YAG, Nd:YAP, Nd:YAlO3, Nd:YLF, 희토류 또는 전이 금속 이온 도펀트로 도핑된 이트륨-알루미늄 가넷, 희토류 또는 전이 금속 이온 도펀트로 도핑된 이트륨-알루미늄 페로브스카이트, 희토류 또는 전이 금속 이온 도펀트로 도핑된 이트륨 알루미늄 산화물, 바나데이트 크리스탈, YVO4, 플루오라이드 글래스들, ZBLN, 실리카 글래스들, 미네랄들, 루비, 크리스탈들 또는 글래스 매체 호스트들을 포함하는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 전기-광학 디바이스는 포켈스 셀인, 방법.
제22항에 있어서,
상기 서브 나노초 왕복 시간은 500 내지 900 ps인, 방법.
제22항에 있어서,
상기 서브 나노초 왕복 시간은 700 내지 800 ps인, 방법.
제22항에 있어서,
상기 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 상기 펌프 소스는 상기 레이징 매체의 종방향 측을 따라 펌핑 방사선을 제공하는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 상기 펌프 소스는 광학 요소를 통해 상기 레이징 매체의 종방향 측을 따라 펌핑 방사선을 제공하는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 상기 펌프 소스는 프리즘을 통해 상기 레이징 매체의 종방향 측을 따라 펌핑 방사선을 제공하는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 상기 펌프 소스는 광학 요소를 통해 상기 레이징 매체의 대향하는 종방향 측들을 따라 펌핑 방사선을 제공하는 두 개의 펌프 소스를 포함하는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 상기 펌프 소스는 광학 요소를 통해 상기 레이징 매체의 단부를 따라 펌핑 방사선을 제공하는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 레이징 매체에 동작 가능하게 결합된 상기 펌프 소스는 프리즘을 통해 상기 레이징 매체의 단부를 따라 펌핑 방사선을 제공하는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 펌프 소스는 상기 레이징 매체의 광학 축을 가로지르는 축을 갖는 적어도 하나의 플래시 램프를 포함하는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 펌프 소스는 한 쌍의 플래시 램프들을 포함하고, 각각의 플래시 램프는 상기 레이징 매체의 광학 축을 가로지르는 축을 갖는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 펌프 소스는 복수의 플래시 램프를 포함하고, 각각의 플래시 램프는 상기 레이징 매체의 광학 축을 가로지르는 축을 갖는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 펌프 소스는 매니폴드 및 한 쌍의 플래시 램프들을 포함하고, 각각의 플래시 램프는 상기 매니폴드의 플래시 램프 채널을 통해 연장되고, 상기 레이징 매체는 상기 매니폴드의 레이징 채널을 통해 연장되고, 상기 레이징 매체 및 레이징 채널은 상기 플래시 램프들 및 플래시 램프 채널에 대해 횡방향으로 연장되는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 펌프 소스는 세라믹 확산 반사기 및 한 쌍의 플래시 램프들을 포함하고, 각각의 플래시 램프는 상기 세라믹 확산 반사기의 플래시 램프 채널을 통해 연장되고, 상기 레이징 매체는 상기 세라믹 확산 반사기의 레이징 채널을 통해 연장되고, 상기 레이징 매체 및 레이징 채널은 상기 플래시 램프들 및 플래시 램프 채널에 대해 횡방향으로 연장되는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 펌프 소스는 한 쌍의 플래시 램프들을 포함하고, 각각의 플래시 램프는 플래시 램프 유동 튜브를 연장하고, 상기 레이징 매체는 레이징 유동 튜브를 통해 연장되고, 상기 레이징 매체 및 레이징 유동 튜브는 상기 플래시 램프들 및 플래시 램프 유동 튜브들에 대해 횡방향으로 연장되는, 방법.
제47항에 있어서,
상기 레이징 유동 튜브는 모래 시계 형상을 갖고 그의 대향 단부들에서 주변 채널들을 포함하는, 방법.
서브 나노초 펄스 레이저 에너지를 발생시키고 색소 착색된 피부를 치료하는 방법으로서,
(a) 한쪽 단부에 있는 제1 미러, 대향 단부에 있는 제2 미러, 이들 사이에 배치된 레이징 매체, 편광자 및 전기-광학 디바이스를 갖는 공진기를 제공하는 단계 - 상기 공진기는 1 나노초 미만의 캐비티 왕복 시간을 갖고, 상기 레이징 매체는 상기 레이징 매체에 동작 가능하게 연결된 펌프 소스에 의해 펌핑됨 -;
(b) 제1 전압을 상기 전기-광학 디바이스에 인가하여 에너지를 상기 레이징 매체로 펌핑하는 동안 상기 공진기에서 레이저 발진을 홀드 오프하는 단계;
(c) 제2 전압을 상기 전기-광학 디바이스에 인가하여 상기 공진기 내에 레이저 에너지를 축적하는 단계;
(d) 제3 전압을 상기 전기-광학 디바이스에 인가하여 상기 공진기로부터 상기 레이저 에너지의 일부를 캐비티 덤핑하는 단계; 및
(e) 환자의 색소 착색된 피부를 많아야 990 ps의 지속기간 및 적어도 10 mJ/펄스의 에너지를 갖는 펄스들로 상기 레이저 에너지에 노출시키는 단계
를 포함하고,
상기 제2 인가 전압과 상기 제3 인가 전압 사이의 과도 시간은 이상적인 스텝 함수 과도 시간보다 큰, 방법.
피부 색소 침착을 치료하기 위한 방법으로서,
(a) 공진기의 한쪽 단부에 있는 제1 미러와 상기 공진기의 대향 단부에 있는 제2 미러 사이에서 레이징 매체에 의해 그리고 상기 공진기 내의 편광자 및 전기-광학 디바이스를 통해 발생되는 레이저 에너지를 반사하는 단계로서 - 상기 공진기는 1 나노초 미만의 캐비티 왕복 시간을 갖고, 상기 레이징 매체는 상기 레이징 매체에 동작 가능하게 연결된 펌프 소스에 의해 펌핑됨 -
상기 공진기는 홀드-오프(hold-off) 상태, 축적(buildup) 상태 및 캐비티 덤핑(cavity dumping) 상태를 포함하는 적어도 세 개의 연속 상태를 통해 진행할 수 있고,
상기 캐비티 덤핑 상태는 이상적인 스텝 함수 과도 시간(ideal step function transient time)보다 큰 허용 가능 과도 시간들의 범위를 갖는, 단계;
(b) 상기 전기-광학 디바이스에 제1 정전압을 인가함으로써 상기 공진기 내에서 레이저 에너지를 증폭하는 단계;
(c) 상기 공진기를 Q-스위칭하는 단계;
(d) 그 다음에 상기 전기-광학 디바이스에 1/4 파 전압(Vλ/4)을 인가함으로써 상기 공진기로부터 상기 증폭된 레이저 에너지를 캐비티 덤핑하는 단계;
(e) 환자의 색소 착색된 피부를 많아야 990 ps의 지속기간 및 적어도 10 mJ/펄스의 에너지를 갖는 펄스들로 펄스 레이저 에너지에 노출시키는 단계
에 의해 펄스 레이저 에너지를 발생시키는 단계를 포함하는, 방법.
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