KR102652959B1 - 레이저 장치 - Google Patents

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Abstract

개시된 레이저 장치는 가변 펄스 패턴을 갖는 레이저 광을 출력하는 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 광을 제1 에너지 레벨로 증폭하는 것으로, 빔 스플리터와, 복수의 포켈스 셀과 제1 증폭기를 포함하는, 프리-앰프 광학부; 상기 제1 에너지 레벨로 증폭된 레이저 광을 제2 에너지 레벨로 증폭하는 제2 증폭기; 상기 제2 에너지 레벨로 증폭된 레이저 광을 제3 에너지 레벨로 증폭하는 제3 증폭기; 및 상기 레이저 다이오드가 출력하는 레이저 광의 펄스 패턴을 설정하고, 이에 따라 상기 레이저 다이오드의 드라이버, 상기 제1 증폭기, 제2 증폭기, 제3 증폭기를 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

레이저 장치{Laser device}
본 발명의 실시예들은 레이저 장치에 관한 것이다.
레이저 빔은 산업용, 의료용 및 군사용 등에 이르기까지 다양한 분야에서 사용되고 있다. 특히, 의료용 레이저는 국부적으로 소정의 에너지를 집중시킬 수 있고 비침습적 치료가 가능하므로, 외과, 내과, 안과, 피부과, 치과 등에서 광범위하게 사용되고 있다.
레이저를 이용한 치료에 있어서, 치료 영역이나 그 위치, 즉, 피부로부터 깊이에 따라 다른 에너지 레벨의 레이저가 필요하다. 또한, 병변의 종류에 따라 같은 파장이면서도 다른 펄스 폭을 갖는 레이저를 사용하는 것이 필요할 수 있다. 이에 따라, 다양한 종류의 펄스 폭을 가지는 레이저를 출력할 수 있는 레이저 장치의 개발이 요구되고 있다.
다양한 펄스 폭을 가지는 레이저를 출사하는 레이저 장치가 제공된다.
실시예에 따르면, 가변 펄스 패턴을 갖는 레이저 광을 출력하는 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 광을 제1 에너지 레벨로 증폭하는 것으로, 빔 스플리터와, 복수의 포켈스 셀과 제1 증폭기를 포함하는, 프리-앰프 광학부; 상기 제1 에너지 레벨로 증폭된 레이저 광을 제2 에너지 레벨로 증폭하는 제2 증폭기; 상기 제2 에너지 레벨로 증폭된 레이저 광을 제3 에너지 레벨로 증폭하는 제3 증폭기; 및 상기 레이저 다이오드가 출력하는 레이저 광의 펄스 패턴을 설정하고, 이에 따라 상기 레이저 다이오드의 드라이버, 상기 제1 증폭기, 제2 증폭기, 제3 증폭기를 제어하는 제어부;를 포함하는, 레이저 장치가 제공된다.
상기 펄스 패턴은 50 피코초 내지 100 나노초 범위의 펄스 폭을 갖는 하나 이상의 펄스를 포함할 수 있다.
상기 프리-앰프 광학부는 제1편광의 광을 반사하고 제2편광의 광을 투과시키는 편광 빔 스플리터; 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 광의 진행 경로에 배치되며 제1타이밍에 1/4 파장판으로 동작하도록 제어되는 제1 포켈스 셀; 상기 제1 포켈스 셀을 통과한 광을 증폭하는, 상기 제1 증폭기; 상기 제1 증폭기에서 증폭되어 출력된 광을 다시 상기 제1 증폭기 쪽으로 반사하는 제1 전반사 미러; 상기 편광 빔 스플리터를 사이에 두고 상기 제1 포켈스 셀과 마주하게 배치되며 제2타이밍 동안 1/4 파장판으로 동작하도록 제어되는 제2 포켈스 셀; 상기 제2 포켈스 셀을 통과한 광을 다시 상기 제2 포켈스 셀 쪽으로 반사하는 제2 전반사 미러;를 포함할 수 있다.
상기 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 광은 제1편광의 광일 수 있다. ,
상기 제1타이밍은 상기 레이저 광이 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 후, 상기 제1 증폭기를 1회 왕복하고 다시 상기 편광 빔 스플리터에 이를 때까지의 시간일 수 있다.
상기 제2타이밍은 상기 레이저 광이 상기 제1증폭기를 복수회 왕복한 후 제1 에너지 레벨이 된 후, 상기 제2 포켈스 셀을 1회 왕복할 때까지의 시간일 수 있다.
상기 제1 에너지 레벨은 100 마이크로 주울(μJ) 이상일 수 있다.
상기 레이저 광이 상기 제1증폭기를 왕복하는 회수는 5 내지 20회일 수 있다.
상기 레이저 장치는 상기 프리-앰프 광학부에서 증폭된 레이저 광의 빔폭을 확대하는 제1 빔 확대부를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 장치는 상기 제1 빔 확대부에서 확대된 빔폭을 추가로 확대하는 제2 빔 확대부를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 장치는 상기 제3 증폭기에서 출력된 광의 진행 경로에 배치된 2차 조화파 발생부;를 더 포함할 수 있다.
상기 2차 조화파 발생부는 상기 진행 경로 내, 외에 위치하도록 구동될 수 있다.
상기 레이저 장치는 상기 프리-앰프 광학부와 상기 제2 증폭기 사이에 배치된 1/2 파장판; 상기 1/2 파장판과 상기 제2 증폭기 사이에 배치된 편광 빔 스플리터; 상기 편광 빔 스플리터와 상기 제2 증폭기 사이에 배치된 1/4 파장판; 및 상기 제2 증폭기를 통과한 광을 다시 상기 제2증폭기 쪽으로 반사시키는 전반사 미러;를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 장치는 상기 제2 증폭기와 상기 제3 증폭기 사이에 배치된 1/2 파장판; 상기 1/2 파장판과 상기 제3 증폭기 사이에 배치된 편광 빔 스플리터; 상기 편광 빔 스플리터와 상기 제3 증폭기 사이에 배치된 1/4 파장판; 및 상기 제3 증폭기를 통과한 광을 다시 상기 제3증폭기 쪽으로 반사시키는 전반사 미러;를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상술한 어느 하나의 레이저 장치; 및 치료 모드에 적합한 펄스 패턴을 출력하도록 상기 레이저 장치를 제어하는 제어부;를 포함하는 치료 장치가 제공된다.
상기 레이저 장치는 피코초 펄스만으로 이루어진 펄스 패턴의 광을 출력하거나, 나노초 펄스만으로 이루어진 펄스 패턴의 광을 출력하거나, 피코초 펄스와 나노초 펄스가 조합된 펄스 패턴의 광을 출력할 수 있다.
상술한 레이저 장치는 하나 이상의 펄스 폭이 조합된 펄스 패턴을 가지는 레이저를 출력할 수 있다.
상술한 레이저 장치는 치료 장치에 적용되어 치료 대상 병변에 적합한 펄스 패턴의 레이저를 설정하여 출력할 수 있어 치료 효과를 높일 수 있다.
도 1은 실시예들에 따른 레이저 장치의 개략적인 구성을 개념적으로 설명하는 블록도이다.
도 2는 도 1의 레이저 장치에 구비되는 프리-앰프(pre-amp) 광학부의 광학적 배치를 개략적으로 보인다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 프리-앰프 광학부가 소정의 타이밍에 제1 포켈스셀, 제2 포켈스셀을 온/오프 제어하며 입사된 레이저 광을 원하는 에너지 레벨로 증폭하여 출력하는 광경로를 순차적으로 보이는 도면들이다.
도 4는 실시예에 따른 레이저 장치의 개략적인 광학적 배치를 보인다.
도 5는 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 개략적인 광학적 배치를 보인다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 개략적인 광학적 배치를 보인다.
도 7은 실시예에 따른 치료 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
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.
이하의 실시예에서, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
이하의 실시예에서, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 영역, 구성요소들 중간에 다른 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다.
도 1은 실시예들에 따른 레이저 장치의 개략적인 구성을 개념적으로 설명하는 블록도이다.
레이저 장치(1000)는 조절된 펄스 패턴을 갖는 레이저 광을 출력하는 레이저 다이오드(100), 레이저 다이오드(100)에서 출력된 레이저 광을 제1 에너지 레벨로 증폭하는 프리-앰프 광학부(300), 상기 제1 에너지 레벨로 증폭된 레이저 광을 제2 에너지 레벨로 증폭하는 제2 증폭기(550), 상기 제2 에너지 레벨로 증폭된 레이저 광을 제3 에너지 레벨로 증폭하는 제3 증폭기(750) 및 레이저 다이오드(100)가 출력하는 레이저 광의 펄스 패턴을 설정하고, 이에 따라 레이저 다이오드(100)의 드라이버, 제1 증폭기(350), 제2 증폭기(550), 제3 증폭기(750)를 제어하는 제어부(800)를 포함한다.
레이저 다이오드(100)는 다양한 종류의 펄스 폭(PW)을 가지는 펄스 패턴(PP)을 형성하여 출력할 수 있다. 원하는 펄스 패턴(PP)에 상응하는 펄스 신호(PS)가 레이저 드라이버의 출력 전압과 전류로 레이저 다이오드(100)에 인가될 수 있고 이에 따라 소정의 펄스 패턴(PP)을 가지는 레이저 광이 출력된다.
레이저 다이오드(100)가 출력하는 펄스 패턴(PP)은 50 ps~5 ns 범위, 또는 50 ps~100ns 의 펄스 폭(PW)을 갖는 하나 이상의 펄스를 포함할 수 있다. 레이저 다이오드(100)는 피코초(pico-second, ps) 펄스만을 출력할 수도 수 있고, 같은 폭의 피코초 펄스 또는 서로 다른 폭의 피코초 펄스를 소정 간격으로 출력할 수 있다. 예를 들어, 1초에 두 개의 펄스가 출력될 때 순차적으로 300 ps, 700 ps의 펄스가 출력될 수 있다. 레이저 다이오드(100)는 나노초(nano-second, ns) 펄스만을 출력할 수도 있고, 같은 폭의 나노초 펄스, 또는 서로 다른 폭의 나노초 펄스를 소정 간격으로 출력할 수 있다. 레이저 다이오드(100)가 출력하는 펄스 패턴(PP)은 또는 피코초 펄스와 나노초 펄스가 조합된 형태일 수 있다. 예를 들어, 1초에 2개의 펄스가 출력 될 때 순차적으로 300ps, 5ns의 펄스 폭을 가지는 펄스가 출력될 수 있다. 설명된 수치나 조합 형태는 예시적이며 다양한 펄스 폭 조합이 가능하고, 반복률 가변도 가능하다.
레이저 다이오드(100)에서 출력된 레이저 광(L)의 에너지는 통상 피코 주울(joule, J)에서 나노 주울로 낮아, 원하는 에너지 레벨에 이를 때까지 여러 단계의 증폭 단계를 거칠 수 있다.
먼저 프리-앰프(pre-amp) 광학부(300)를 통해, 수백 마이크로 주울(μJ) 내지 수십 밀리 주울(mJ) 의 에너지 레벨로 증폭될 수 있다. 프리-앰프 광학부(300)는 제1 증폭기를 포함하며, 제1 증폭기를 복수회, 예를 들어 수회 내지 수십회 왕복한 후 원하는 에너지 레벨에 이른 후 출력될 수 있게 하는 광학 요소들을 포함할 수 있다. 프리-앰프 광학부(300)는 예를 들어, 제1 증폭기 외에, 포켈스 셀, 빔 스플리터 등을 포함할 수 있다.
다음, 프리-앰프 광학부(300)에서 증폭된 레이저 광(L)은 다시 제2 증폭기(550), 제3 증폭기(750)를 지나며 수백 mJ 내지 수 J의 에너지를 가지도록 증폭되어 출력될 수 있다.
제어부(800)는 레이저 다이오드(100)의 드라이버에 인가할 펄스 신호(PS)를 생성하며, 또한, 펄스 신호(PS)에 따라 생성된 레이저 광(L)의 펄스 패턴(PP)에 연동하여 프리-앰프 광학부(300), 제2 증폭기(550), 제3 증폭기(750)를 제어할 수 있다. 제어부(800)에서 프리-앰프 광학부(300), 제2 증폭기(550), 제3 증폭기(750)에 인가하는 제어 신호(SG1)(SG2)(SG3)는 각 증폭 매질에 공급될 광을 제공하는 펌핑 광원을 온/오프 하는 타이밍 신호일 수 있다.
도 2는 실시예들에 따른 레이저 장치에 구비되는 프리-앰프(pre-amp) 광학부의 광학적 배치를 개략적으로 보인다. 도 3a 내지 도 3c는 도 2의 프리-앰프 광학부가 소정의 타이밍에 제1 포켈스셀, 제2 포켈스셀을 온/오프 제어하며 입사된 레이저 광을 원하는 에너지 레벨로 증폭하여 출력하는 광경로를 순차적으로 보이는 도면들이다.
도 2를 참조하면, 프리-앰프 광학부(300)는 레이저 다이오드(100)에서 출력된 시드 펄스(seed pulse)인 레이저 광(L)이 입력되는 편광 빔 스플리터(310), 편광 빔 스플리터(310)에서 반사된 광의 진행 경로에 배치된 제1 포켈스 셀(320)과 제2 포켈스 셀(370), 제1 포켈스 셀(320)을 통과한 광을 증폭하는 제1 증폭기(350), 제1 증폭기(350)에서 증폭되어 출력된 광을 다시 제1 증폭기(350) 쪽으로 반사하는 제1 전반사 미러(380), 편광 빔 스플리터(310)를 사이에 두고 제1 포켈스 셀(320)과 마주하게 배치된 제2 포켈스 셀(370), 제2 포켈스 셀(370)을 통과한 광을 다시 상기 제2 포켈스 셀 쪽으로 반사하는 제2 전반사 미러(390)를 포함한다.
편광 빔 스플리터(310)는 제1편광의 광을 반사하고 제1편광과 수직인 제2편광의 광을 투과시킬 수 있다. 제1편광, 제2편광은 선편광(linear polarization)이며, 제1편광은 S 편광, 제2 편광은 P 편광일 수 있다. 이하의 도면에서 제1편광은 ⊙, 제2편광은
Figure 112022041931208-pat00001
로 표시하기로 한다.
제1 포켈스 셀(Pockels Cell)(320), 제2 포켈스 셀(Pockels Cell)(370)은 인가된 전기 신호에 따라 광학적 성질이 변하는 현상을 나타내는 전기광학물질을 사용하여, 입사광의 위상을 제어할 수 있다. 제1 및 제2 포켈스 셀(320)(370)은 전기적으로 제어되며 입사광의 위상을 유지시키는 모드(off)로 동작하거나 또는 입사광의 위상을 지연시키는 모드(on)로 동작할 수 있다. 제1 및 제2 포켈스 셀(320)(370)은 예를 들어, 전기 신호가 인가되지 않을 때는 입사광의 위상에 영향을 주지 않고 광을 통과시키고, 소정의 전기 신호가 인가되면 입사광의 위상을 지연시키며 광을 통과시킬 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 제1 및 제2 포켈스 셀(320)(370)은 소정의 전기 신호에 따라 입사광의 위상을 유지시키는 모드로 동작할 수 있고 또 다른 소정의 전기 신호에 따라 입사광의 위상을 지연시키는 모드로 동작할 수 있다. 입사광의 위상을 지연시키는 모드(on)에서 제1 및 제2 포켈스 셀(320)(370)은 1/4 파장판(quarter wave plate)으로 동작할 수 있다. 실시예에서 제1 및 제2 포켈스 셀(320)(370)은 서로 다른 타이밍에 1/4 파장판(quarter wave plate)으로 동작하도록 제어된다.
제1 증폭기(350)는 제 1 펌핑 광원(351)과 제 1 증폭 매질(353)을 포함한다. 제1 펌핑 광원(351)은 플래시 램프 또는 레이저 다이오드일 수 있고, 그 외, 제 1 증폭 매질(353)에 광 에너지를 제공할 수 있는 다양한 종류의 광원일 수 있다. 제1 펌핑 광원(351)은 미도시된 전원 공급부로부터 전원을 공급받아 발광하며 광을 제 1 증폭 매질(353)에 제공한다. 제1 펌핑 광원(351)은 레이저 다이오드(100)에서 출력하는 레이저 광(L)의 펄스 패턴(PP)에 연동하여 발광하도록 제어부(800)에 의해 제어될 수 있다. 제 1 증폭 매질(353)은 제1 펌핑 광원(351)에서 공급된 광의 에너지를 흡수하여 입사된 레이저 광(L)의 에너지를 증폭하여 출력한다. 제1 증폭 매질(353)은 Nd:YAG(neodymium-doped yttrium aluminium garnet)일 수 있으며, 다만 이에 한정되지 않으며, Nd:YAP(Neodymium: Yttrium-Aluminum-Perovskite), 또는 Nd:YVO4(Neodymium-doped yttrium orthovanadate) 등이 제1 증폭 매질(353)로 사용될 수도 있다.
제1 증폭기(350)에서 증폭된 레이저 광(L)은 제1 전반사 미러(380)에 의해 반사되며, 다시 제1 증폭기(350)를 향하게 되며, 제1 포켈스 셀(320), 편광 빔 스플리터(310), 제2 포켈스 셀(370)을 통과한 후 제2 전반사 미러(390)에서 반사되어, 제1 전반사 미러(380)와 제2 전반사 미러(390) 사이에서 제1 증폭 매질(353)을 복수회 왕복할 수 있다.
실시예의 프리-앰프 광학부(300)에서, 제1 및 제2 포켈스 셀(320)(370)은 서로 다른 타이밍에 온(on) 모드로 동작하며, 이에 따라, 편광 빔 스플리터(310)를 통해 입사된 레이저 광(L)이 원하는 에너지 레벨에 이를 때까지 제1 증폭기(350)를 왕복한 후 다시 편광 빔 스플리터(310)를 통해 출력될 수 있다. 이에 대해 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 상세히 살펴보기로 한다.
도 3a를 참조하면, 편광 빔 스플리터(310)에 입사되는 제1편광의 레이저 광(L)이 편광 빔 스플리터(310)에서 반사되어 제1 포켈스 셀(320)을 향한다. 이 때, 제1 포켈스 셀(320)은 온(on) 모드로 제어되어 1/4 파장판으로 동작한다. 제1편광의 레이저 광(L)은 제1 포켈스 셀(320)을 지나며 원편광, 예를 들어, 반시계 방향의 우원편광(RHC) 상태가 되고, 제1 증폭기(350)를 지나 제1 전반사 미러(380)에서 반사되며 다른 방향의 원편광, 예를 들어, 시계 방향의 좌원편광(LHC) 상태가 된다. 제1 포켈스 셀(320)은 편광 빔 스플리터(310)에서 반사된 레이저 광이 제1 증폭기(350)를 1회 왕복하는 동안, 즉, A 구간을 왕복하는 동안 온(on) 상태를 유지하며, 따라서, 제1 포켈스 셀(320)에 입사된 광의 편광 상태는 원편광에서 제2편광으로 바뀐다. 편광 빔 스플리터(310)는 제2편광의 광을 투과시키며, 즉, 제2편광의 레이저 광은 편광 빔 스플리터(310)에서 반사되지 않고 편광 빔 스플리터(310)를 투과하여 제2 포켈스 셀(370)을 향하게 된다.
다음, 도 3b를 참조하면, 제1 포켈스 셀(320), 제2 포켈스 셀(370)은 모두 오프(off) 상태로서, 제2편광의 레이저 광(L)은 제1 포켈스 셀(320), 제2 포켈스 셀(370)을 지날 때 편광 상태가 유지되며, 편광 빔 스플리터(310)를 투과하는 제2편광 상태를 유지한다. 이에 따라 제2편광의 레이저 광(L)은 제1 전반사 미러(380)와 제2 전반사 미러(390)에서 반사되며, A+B 구간을 왕복, 즉, 제1 증폭기(350)를 복수회 왕복한다. 왕복 회수는 레이저 광(L)이 소정의 원하는 제1 에너지 레벨에 이를 수 있는 정도로 설정될 수 있다. 제1 에너지 레벨은 수백 마이크로 주울(μJ) 내지 수십 밀리 주울(mJ) 사이일 수 있고, 예를 들어, 100 마이크로 주울(μJ) 이상일 수 있다. 레이저 광(L)이 수 내지 수십회, 예를 들어, 5-20회 제1 증폭기(350)를 왕복 후 에너지 레벨이 수백 마이크로 주울(μJ) 내지 수십 밀리 주울(mJ)에 이를 수 있으며, 다만, 이는 예시적인 것이다.
다음, 도 3c를 참조하면, 레이저 광(L)의 에너지가 소정의 원하는 에너지 레벨이 된 후, 제2 포켈스 셀(370)은 온(on) 모드로 동작, 즉, 1/4 파장판으로 동작한다. 온(on) 모드의 제2 포켈스 셀(370)에 입사한 레이저 광(L)은 제2 포켈스 셀(370)을 지나며 편광 상태가 제2편광에서 원편광, 시계 방향의 우원편광(RHC) 으로 바뀐다. 다음, 제2 전반사 미러(390)에서 반사되며 다른 방향의 원편광, 예를 들어, 반시계 방향의 좌원 편광(LHC)으로 바뀌어 제2 포켈스 셀(370)을 향한다. 제2 포켈스 셀(370)은 소정의 원하는 에너지 레벨이 된 레이저 광(L)이 편광 빔 스플리터(310)를 지나 제2 포켈스 셀(370)을 1회 왕복하는 동안, 즉, B 구간을 1회 왕복하는 동안 온(on) 상태를 유지한다. 레이저 광(L)은 온(on) 상태에 있는 제2 포켈스 셀(370)을 지나며, 원편광에서 제1편광으로 편광 상태가 바뀌어, 편광 빔 스플리터(310)에서 반사되어 출력된다.
도 4는 실시예에 따른 레이저 장치의 개략적인 광학적 배치를 보인다.
레이저 장치(1001)는 제어부(800)와, 제어부(800)에 의해 제어되며 소정의 가변 펄스 패턴의 레이저 광(L)을 출력하는 레이저 다이오드(100), 레이저 다이오드(100)에서 출력된 레이저 광(L)을 1차로 증폭하여 제1 에너지 레벨로 출력하는 프리-앰프 광학부(300), 증폭된 광을 재차 증폭하는 제2 증폭기(550) 및 제3 증폭기(750)를 포함한다.
프리-앰프 광학부(300)는 도 2, 도 3a 내지 도 3c에서 설명한 구성을 갖는다.
제2 증폭기(550)는 제2 펌핑 광원(551)과 제2 증폭 매질(553)을 포함한다. 제 2 증폭 매질(553)은 제2 펌핑 광원(551)에서 공급된 광의 에너지를 흡수하여 프리-앰프 광학부(300)에서 1차로 증폭된 에너지의 레이저 광(L)의 에너지를 더 증폭하여 출력한다. 제2 증폭 매질(553)은 Nd:YAG(neodymium-doped yttrium aluminium garnet)일 수 있으며, 다만 이에 한정되지 않으며, Nd:YAP(Neodymium: Yttrium-Aluminum-Perovskite), 또는 Nd:YVO4(Neodymium-doped yttrium orthovanadate) 등이 제2 증폭 매질(553)로 사용될 수도 있다.
제3 증폭기(750)는 제3 펌핑 광원(751)과 제3 증폭 매질(753)을 포함한다. 제 3 증폭 매질(753)은 제3 펌핑 광원(751)에서 공급된 광의 에너지를 흡수하여 제2 증폭기(550)에서 증폭된 레이저 광(L)의 에너지를 재차 증폭하여 출력한다. 제3 증폭 매질(753)은 Nd:YAG(neodymium-doped yttrium aluminium garnet)일 수 있으며, 다만 이에 한정되지 않으며, Nd:YAP(Neodymium: Yttrium-Aluminum-Perovskite), 또는 Nd:YVO4(Neodymium-doped yttrium orthovanadate) 등이 제3 증폭 매질(753)로 사용될 수도 있다.
제어부(800)는 레이저 다이오드(100)에서 출력할 레이저 광(L)의 펄스 패턴을 위한 펄스 신호(PS)를 레이저 다이오드(100)의 드라이버에 인가한다. 또한, 이에 연동하여, 프리-앰프 광학부(300), 제2 증폭기(550), 제3 증폭기(750)에 제어 신호(SG1)(SG2)(SG3)를 전달한다. 제어 신호(SG1)(SG2)(SG3)는 예를 들어, 제1 증폭기(350), 제2 증폭기(550), 제3 증폭기(750)의 각 증폭 매질에 공급될 광을 제공하는 펌핑 광원을 온/오프 하는 타이밍 신호일 수 있다.
프리-앰프 광학부(300)와 제2 증폭기(550) 사이에는 프리-앰프 광학부(300)에서 증폭된 레이저 광의 빔폭을 확대하는 제1 빔 확대부(410)가 더 배치될 수 있다. 또한, 제1 빔 확대부(410)에서 확대된 빔폭을 추가로 확대하는 제2 빔 확대부(420)가 더 배치될 수 있다. 제2 빔 확대부(420)는 제2 증폭기(550)와 제3 증폭기(750) 사이에 배치될 수 있다. 제1 빔 확대부(410), 제2 빔 확대부(420)는 각각 하나 이상의 렌즈를 포함할 수 있으며, 도시된 형상, 개수에 한정되는 것은 아니다. 제2 증폭기(550)와 제3 증폭기(750) 사이에는 광로 변경을 위한 경로 전환 부재(610)(620)가 배치될 수 있다.
레이저 장치(1001)는 또한, 제3 증폭기(750)에서 출력된 광의 진행 경로에 배치된 2차 조화파 발생부(900)를 더 포함할 수 있다.
2차 조화파 발생부(900)는 입사광의 주파수를 2배로 변환(frequency doubling)하여 출력한다. 2차 조화파 발생부(900)는 복수의 미러와 비선형 매질을 포함할 수 있으며, 비선형 매질로는 SHG(second harmonic generation) 결정이 사용될 수 있고 예를 들어, KTP나 LBO 또는 BBO가 사용될 수 있다. 2차 조화파 발생부(900)에 입사된 제1파장의 광은 복수의 미러 및 이들 사이에 배치된 비선형 매질 사이의 광경로를 왕복하며 제2파장으로 변환되고, 제2파장으로 파장 변환된 광이 출사된다. 파장 변환되지 않은 광은 비선형 매질에 다시 입사된 후 제2파장으로 변환된 후 출사된다. 제1파장은 레이저 다이오드(100)에서 생성한 광의 파장, 예를 들어, 1064nm일 수 있고, 제2파장은 532nm일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
2차 조화파 발생부(900)는 A 방향을 따라 위치가 변동되도록 구동 제어될 수도 있다. 2차 조화파 발생부(900)가 레이저 광(L)의 출력 경로 내에 위치하여 레이저 다이오드(100)에서 출력된 광의 파장이 반으로 변경하여 출력될 수 있다. 2차 조화파 발생부(900)가 레이저 광(L)의 출력 경로 밖에 위치하는 경우, 레이저 다이오드(100)에서 출력된 광의 파장이 변하지 않고 출력될 수 있다.
2차 조화파 발생부(900)가 직접 위치 이동되는 것으로 도시되었으나, 이는 예시적이며, 증폭된 레이저 광(L)이 2차 조화파 발생부(900)를 향하거나 또는 다른 경로를 향하도록 움직이는 구동 미러가 활용될 수도 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 개략적인 광학적 배치를 보인다.
본 실시예의 레이저 장치(1002)는 제2 증폭기(550)를 두 번 경유하여 레이저 광(L)이 증폭되도록 구성된 점에서 차이가 있고 나머지 구성은 도 4의 레이저 장치(1001)와 실질적으로 동일하므로, 차이점에 대해서만 설명하기로 한다.
레이저 장치(1002)는 도 4에 설명한 레이저 장치(1001)의 구성에 추가적으로, 프리-앰프 광학부(300)와 제2 증폭기(550) 사이에 배치된 1/2 파장판(510), 1/2 파장판(510)과 제2 증폭기(550) 사이에 배치된 편광 빔 스플리터(520), 편광 빔 스플리터(520)와 제2 증폭기(550)사이에 배치된 1/4 파장판(530) 및 제2 증폭기(550)를 통과한 광을 다시 상기 제2 증폭기(550) 쪽으로 반사시키는 전반사 미러(540)를 더 포함한다.
도 3a 내지 도 3c에서 설명한 바와 같이, 레이저 다이오드(100)에서 출력된 레이저 광(L)이 제1편광의 광인 경우, 프리-앰프 광학부(300)에서 증폭되어 출력된 광도 제1편광 상태를 갖는다. 1/2 파장판(510)은 레이저 광(L)의 편광 상태를 제1편광에서 제2편광으로 바꾸며, 제2편광의 광은 편광 빔 스플리터(520)를 투과한다. 다음, 제2편광의 광은 1/4 파장판(530)을 지나며 좌원 편광의 광이 되고, 제2 증폭기(550)를 지나 전반사 미러(540)에서 반사될 때, 우원 편광의 광이 된다. 다음, 우원 편광의 광은 1/4 파장판(530)을 지나며 제1편광의 광으로 변하며, 편광 빔 스플리터(520)에서 반사되며 제3 증폭기(750)를 향하게 된다. 이러한 광학 배치에 따라 레이저 광(L)은 제2 증폭기(550)를 왕복, 즉, 두 번 경유한 후 제3 증폭기(750)를 향하게 된다.
편광 빔 스플리터(520)와 제3 증폭기(750) 사이에는 경로 전환 부재(560)가 배치될 수 있다. 경로 전환 부재(560)의 배치 위치는 도시된 위치에 한정되지 않고, 제2 빔확대부(420)와의 배치 순서가 바뀔 수도 있다
도 6은 또 다른 실시예에 따른 레이저 장치의 개략적인 광학적 배치를 보인다.
본 실시예의 레이저 장치(1003)는 제3 증폭기(750)를 두 번 경유하여 레이저 광(L)이 증폭되도록 구성된 점에서 차이가 있고 나머지 구성은 도 5의 레이저 장치(1002)와 실질적으로 동일하므로, 차이점에 대해서만 설명하기로 한다.
레이저 장치(1003)는 도 5에 설명한 레이저 장치(1002)의 구성에 추가적으로, 제2 증폭기(550)와 제3 증폭기(750) 사이에 배치된 1/2 파장판(710), 1/2 파장판(710)과 제3 증폭기(750) 사이에 배치된 편광 빔 스플리터(720), 편광 빔 스플리터(720)와 제3 증폭기(750) 사이에 배치된 1/4 파장판(730) 및 제3 증폭기(750)를 통과한 광을 다시 상기 제3 증폭기(750) 쪽으로 반사시키는 전반사 미러(740)를 더 포함한다. .
도 5에서 설명한 바와 같이, 제2 증폭기(550)를 지나 제3 증폭기(750)를 향하는 제1편광의 광은 1/2 파장판(710)을 지나며 제2편광의 광으로 바뀌어 편광 빔 스플리터(720)를 투과한다. 다음, 제2편광의 광은 1/4 파장판(730)을 지나며 좌원 편광의 광이 되고, 제3 증폭기(750)를 지나 전반사 미러(740)에서 반사될 때, 우원 편광의 광이 된다. 다음, 우원 편광의 광은 1/4 파장판(730)을 지나며 제1편광의 광으로 변하며, 편광 빔 스플리터(720)에서 반사되며 출력단을 향하게 된다. . 이러한 광학 배치에 따라 레이저 광(L)은 제2 증폭기(550)를 왕복, 즉, 두 번 경유하고, 또한, 제3 증폭기(750)를 왕복, 즉, 두 번 경유한 후 출력된다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 제2 증폭기(550)를 1회 경유하고, 제3 증폭기(750)를 2회 경유한 후 출력되도록 변경될 수도 있다.
도 4 내지 도 6의 설명에서, 제2 증폭기(550), 제3 증폭기(750)는 single pass 또는, two pass의 광학계로 구현된 것을 설명하였으나, 이들 중 어느 하나 또는 전부가 four pass의 광학계로 변경될 수도 있다. 이러한 경로를 위해, 예를 들어 가변 반파장판 또는 가변 1/4파장판으로 동작하는 포켈스 셀 (Pockels Cell) 등이 활용될 수 있고, 그 외, 반반사 미러나 빔 스플리터 등이 함께 활용될 수도 있다.
상술한 레이저 장치(1000)(1001)(1002)(1003)들은 레이저 다이오드(100)의 드라이버의 전류, 전압 신호를 조절하여 넓은 범위의 가변 펄스의 레이저 광을 출력할 수 있고, 치료 장치로 활용될 수 있다. 펄스 폭 범위는 피코초(pico second)에서 나노초(nano second)에 이르며, 예를 들어, 50 ps ~ 5 ns 또는 50 ps~100 ns 의 펄스 폭 가변 "牡㎏* 가질 수 있다. 이러한 레이저 장치에 의해 기존의 피코초 레이저에 비해 효과적인 치료 결과를 기대할 수 있다.
기존의 피코초 레이저 장치는 펄스폭이 가변되지 않고 고정된 펄스폭의 레이저를 출력하거나, 추가로 나노초의 고정된 펄스폭의 레이저를 출력한다. 이 경우, 나노초의 출력 레이저는 피코초 레이저 펄스를 1~2 ns의 시간차를 갖도록 분할하여 출력시킨 두 개의 피코초 펄스 그룹을 지칭하고 있으며, 진정한(true) 나노 세컨드 펄스가 아니다.
이와 달리, 실시예에 따른 레이저 장치는 예를 들어 펄스폭이 50 ps~5 ns까지 가변이 가능한 레이저 다이오드를 seed 레이저로 활용하여 이를 필요한 에너지 레벨로 증폭함으로써, 피코 세컨드에서 true 나노 세컨드의 가변 펄스 폭을 갖는 레이저 광을 출력할 수 있다.
도 7은 실시예에 따른 치료 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
치료 장치(2000)는 레이저 장치(2500)와, 레이저 장치를 구동하는 제어부(2300)를 포함한다. 레이저 장치(2500)는 전술한 실시예들에 따른 레이저 장치(1000)(1001)(1002)(1003) 중 어느 하나, 또는 이들의 변형된 구성을 포함할 수 있다. 제어부(2300)는 레이저 장치(2500)의 치료 모드에 적합한 펄스 패턴을 설정하고, 설정된 펄스 패턴의 레이저 광을 출력하도록 레이저 장치(2500)를 구동할 수 있다. 제어부(2300)는 또한, 레이저 장치(2500)에서 출력되는 레이저 광의 파장을 선택할 수 있다. 치료 장치(2000)는 또한, 대상체(OBJ)의 피부 상태를 진단하기 위한 피부 표면 진단기(2600)과, 레이저 장치(2500)의 제어에 사용되는 정보가 저장되는 메모리(2800)를 더 포함할 수 있고, 또한, 사용자 인터페이스(2200)를 더 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스(2200)는 표시부 및 입력부를 포함할 수 있다. 입력부는 예를 들어, 키보드나 터치 패널등을 포함할 수 있다.
레이저 장치(2500)에서 출력하는 레이저 광의 펄스 패턴은 예를 들어, 나노초 펄스만으로 이루어진 펄스 패턴(PP1), 나노초 펄스와 피코초 펄스가 조합된 펄스 패턴(PP2), 피코초 펄스만으로 이루어진 펄스 패턴(PP3) 등일 수 있다.
레이저 광을 이용한 피부 치료에 있어, 색소 병변의 종류에 따라 다른 종류, 다른 에너지의 레이저가 필요할 수 있다. 예를 들어, 주근깨, 잡티 등의 표피 병변의 치료에는 나노초 레이저 펄스가 적당할 수 있고, 피부 진피층 깊이 있는 병변의 치료의 경우 또는 색소 치료시 색소 입자를 작은 사이즈로 쪼개서 치료하는 것이 필요한 경우, 피코초 레이저 펄스를 사용하는 것이 적절할 수 있다. 경우에 따라서는 나노초 레이저 펄스와 피코초 레이저 펄스를 함께 사용하거나, 또는 피코초 영역에서 서로 다른 펄스폭의 펄스를 조합하여 함께 사용하거나, 나노초 영역에서 서로 다른 펄스폭의 펄스를 조합하여 함께 사용할 수 있고, 이러한 조합으로 새로운 임상 효과를 기대할 수도 있다.
예를 들어, 피코초 영역에서도 임상의 목적 또는 치료 순서에 따라 Photomechanical effect를 높여야 하는 경우 펄스 폭이 300 ps 미만이 바람직할 수 있다. 다만, 이때 높은 peak power로 낮은 에너지에서 플라즈마가 발생되어 깊은 피부 영역까지 도달하는데 방해가 되어 치료 효과가 떨어지는 경우가 발생하는 경우가 생길 수 있다. 따라서 좀 더 긴 펄스폭의 피코 펄스 폭, 예를 들어 700 ps정도의 펄스 폭이 적절할 수도 있다. 이러한 경우, 300ps 미만의 펄스폭을 가지는 펄스와 700ps 정도, 예를 들어 600ps~800ps 범위의 펄스 폭을 가지는 피코초 펄스를 함께 사용할 수도 있다.
또한, Photothermal effect를 치료에 이용하기 위해서는 5 ns의 펄스 폭 또는 50 ns 또는 100 ns까지에 이르는 펄스 폭의 나노초 펄스가 사용될 수 있다.
치료 장치(2000)는 가변 펄스폭, 예를 들어, 50 피코초에서 100 나노초 범위의 다양한 펄스 폭의 레이저 광을 제공할 수 있어, 병변 종류에 알맞은 치료 방법을 제공할 수 있고, 향상된 임상 효과를 기대할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1000, 1001, 1002: 레이저 장치
100: 레이저 다이오드
300: 프리-앰프 광학부
350: 제1 증폭기
310, 520, 720 : 편광 빔 스플리터
320, 370: 포켈스 셀
380, 390, 540, 740: 전반사 미러
420, 440: 빔 확대부
550: 제2 증폭기
750: 제3 증폭기
510, 710: 1/2 파장판
530, 730: 1/4 파장판
560, 610, 620, 630: 경로 전환 부재
900: 2차 조화파 발생부
2000: 치료 장치

Claims (16)

  1. 가변 펄스 패턴을 갖는 레이저 광을 출력하는 레이저 다이오드;
    상기 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 광을 제1 에너지 레벨로 증폭하는 것으로, 빔 스플리터와, 복수의 포켈스 셀과 제1 증폭기를 포함하는, 프리-앰프 광학부;
    상기 제1 에너지 레벨로 증폭된 레이저 광을 제2 에너지 레벨로 증폭하는 제2 증폭기;
    상기 제2 에너지 레벨로 증폭된 레이저 광을 제3 에너지 레벨로 증폭하는 제3 증폭기; 및
    상기 레이저 다이오드가 출력하는 레이저 광의 펄스 패턴을 설정하고, 이에 따라 상기 레이저 다이오드의 드라이버, 상기 제1 증폭기, 제2 증폭기, 제3 증폭기를 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 프리-앰프 광학부는
    제1편광의 광을 반사하고 제2편광의 광을 투과시키는 편광 빔 스플리터;
    상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 광의 진행 경로에 배치되며 제1타이밍에 1/4 파장판으로 동작하도록 제어되는 제1 포켈스 셀;
    상기 제1 포켈스 셀을 통과한 광을 증폭하는, 상기 제1 증폭기;
    상기 제1 증폭기에서 증폭되어 출력된 광을 다시 상기 제1 증폭기 쪽으로 반사하는 제1 전반사 미러;
    상기 편광 빔 스플리터를 사이에 두고 상기 제1 포켈스 셀과 마주하게 배치되며 제2타이밍 동안 1/4 파장판으로 동작하도록 제어되는 제2 포켈스 셀; 및
    상기 제2 포켈스 셀을 통과한 광을 다시 상기 제2 포켈스 셀 쪽으로 반사하는 제2 전반사 미러;를 포함하며,
    상기 제1타이밍은 상기 레이저 광이 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 후, 상기 제1 증폭기를 1회 왕복하고 다시 상기 편광 빔 스플리터에 이를 때까지의 시간이고,
    상기 제2타이밍은 상기 레이저 광이 상기 제1증폭기를 복수회 왕복한 후 제1 에너지 레벨이 된 후, 상기 제2 포켈스 셀을 1회 왕복할 때까지의 시간인, 레이저 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 패턴은
    50 피코초 내지 100 나노초 범위의 펄스 폭을 갖는 하나 이상의 펄스를 포함하는 레이저 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드에서 출력된 레이저 광은 제1편광의 광인, 레이저 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 에너지 레벨은 100 마이크로 주울(μJ) 이상인, 레이저 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광이 상기 제1증폭기를 왕복하는 회수는 5 내지 20회인, 레이저 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프리-앰프 광학부에서 증폭된 레이저 광의 빔폭을 확대하는 제1 빔 확대부를 더 포함하는, 레이저 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 빔 확대부에서 확대된 빔폭을 추가로 확대하는 제2 빔 확대부를 더 포함하는, 레이저 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제3 증폭기에서 출력된 광의 진행 경로에 배치된 2차 조화파 발생부;를 더 포함하는, 레이저 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 2차 조화파 발생부는 상기 진행 경로 내, 외에 위치하도록 구동되는, 레이저 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 프리-앰프 광학부와 상기 제2 증폭기 사이에 배치된 1/2 파장판;
    상기 1/2 파장판과 상기 제2 증폭기 사이에 배치된 편광 빔 스플리터;
    상기 편광 빔 스플리터와 상기 제2 증폭기 사이에 배치된 1/4 파장판; 및
    상기 제2 증폭기를 통과한 광을 다시 상기 제2증폭기 쪽으로 반사시키는 전반사 미러;를 더 포함하는, 레이저 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 증폭기와 상기 제3 증폭기 사이에 배치된 1/2 파장판;
    상기 1/2 파장판과 상기 제3 증폭기 사이에 배치된 편광 빔 스플리터;
    상기 편광 빔 스플리터와 상기 제3 증폭기 사이에 배치된 1/4 파장판; 및
    상기 제3 증폭기를 통과한 광을 다시 상기 제3증폭기 쪽으로 반사시키는 전반사 미러;를 더 포함하는, 레이저 장치.
  15. 제1항, 제2항, 제4항, 제7항 내지 제14항 중 어느 하나의 레이저 장치; 및
    상기 레이저 장치를 제어하는 제어부;를 포함하는 치료 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 레이저 장치는
    피코초 펄스만으로 이루어진 펄스 패턴의 광을 출력하거나,
    나노초 펄스만으로 이루어진 펄스 패턴의 광을 출력하거나,
    피코초 펄스와 나노초 펄스가 조합된 펄스 패턴의 광을 출력하는, 치료 장치.
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