KR20120098989A

KR20120098989A - 일체형 측면 여기식 고체 레이저 및 그 응용

Info

Publication number: KR20120098989A
Application number: KR1020127001129A
Authority: KR
Inventors: 토마스 브라가냐; 아르네 하인리히
Original assignee: 판텍 바이오솔루션스 아게
Priority date: 2009-06-15
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2012-09-06
Also published as: KR101742740B1; JP2012530364A; US9368931B2; RU2012101319A; JP5744860B2; WO2010145855A1; US20120165801A1; CA2766958A1

Abstract

개시된 일체형 측면 여기식 고체 레이저(1)는, 종축(L)을 갖는 레이저 이득 매질(2)로 이루어진 레이저 공진기 구조물(3)을 포함하며, 레이저 공진기 구조물(3)은 선형 광 경로 공진 공동을 사이에 형성하는 단부면(4)들을 포함하고, 단부면(4)들 중 적어도 한 단부면은 특히 그 위에 증착된 적어도 부분적으로 반사하는 레이저 미러(4a, 4b)를 포함하며, 레이저 이득 매질(2)은 여기원(5)의 여기광(5a)을 수용하기 위한 측면(2a)을 포함하고, 여기광(5a)은 다이오드 레이저(5)에 의해 발생되며, 레이저 이득 매질(2)과 접촉되는 접촉면(6c)들을 포함하는 전도성 냉각기(6)를 포함하며, 종축(L)에 대해 측면(2a) 반대측에 배치된 반사기(7)를 포함하며, 레이저 이득 매질(2)은 저 이득 물질인 것을 특징으로 하는 일체형 측면 여기식 고체 레이저이다.

Description

일체형 측면 여기식 고체 레이저 및 그 응용{A MONOLITHIC, SIDE PUMPED SOLID-STATE LASER AND APPLICATIONS THEREOF}

본 발명은 청구항 제1항의 특징들을 포함하는 일체형 측면 여기식 고체 레이저에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 청구항 제22항의 특징들을 포함하는 일체형 측면 여기식 고체 레이저의 작동 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 청구항 제32항, 제51항 및 제52항에 따른 치료 장치에 관한 것이다.

다이오드 여기식 레이저는 특히 산업, 의료 및 군사 응용 분야에서의 유용성이 증가해왔다. 다이오드 펌프가 전력 효율이 좋고, 모두 고체이고 수명이 길기 때문에 다이오드 여기식 레이저는 특히 유용하다. 이에 따라 다이오드 여기식 레이저는 플래시 램프 여기식 고체 레이저에 비해 경량이고, 효율적이고 일반적으로는 비수냉식인 레이저 시스템이 된다.

일반적으로, 후방 여기식(end-pumped) 또는 측면 여기식 고체 레이저 방식이 공지되어 있다. 큐 스위치식(Q-switched) 레이저 또는 일체형 레이저는 미국 특허 제5,394,413호, 제5,381,431호, 제5,495,494호, 제5,651,023호 및 제6,373,864 B1호에 기재된 것과 같은 방식이다. 이러한 방식의 단점은 특히 최대 펄스 에너지에 대한 제한이다. 또한, 큐 스위치식 레이저는 지속 기간이 매우 짧은 펄스를 생성시킬 수 있을 뿐이다.

미국 특허 제6,219,361 B1호 및 제6,377,593 B1호에는 광 경로가 내부 지그재그형 경로를 취하는 측면 여기 방식이 기재되어 있는데, 이러한 방식에서는 펄스 지속 기간이 늘어나고 제작상의 어려움 및 제작 비용이 증가된다.

다이오드 측면 여기식에서는, 이득 매질(gain media)은 일반적으로 봉 또는 슬래브 형태이다. 슬래브 형태는 일반적으로 슬래브의 일 측부가 방열 히트 싱크(thermal heat sink)에 부착되고 반대측 면은 여기광 도입용으로 사용되는 전도 냉각식 레이저 시스템에서 사용된다. 측면 여기식 슬래브는, 예를 들어 미국 특허 출원 공개 공보 US2007/0060917호의 도 2b에 개시된 것과 같은, 이른바 "지그재그" 광 경로의 활용과 같은 여러 가지 기법들을 사용할 수 있다. 그러나, 지그재그 슬래브는 광학적으로 엄격한 허용 공차 때문에 제작하기가 어렵고, 따라서 직선형 슬래브 실시예들보다 대량 생산이 더 어렵고 생산비도 더 비싸다.

국제 특허 공개 공보 WO2004/034523호에는 일체형이고, 측면 여기식이고, 수동형 큐 스위치식이고, 비수냉식인 고체 레이저가 개시되어 있는데, 이 고체 레이저는 레이저 공명기 구조물을 포함하고, 수동형 큐 스위치에 접합된 출력면을 구비한 레이저 이득 매질을 포함한다. 이득 매질은 여기광을 수용하기 위한 측면을 구비한다. 여기광은 다이오드 레이저 어레이에 의해 발생된다. 이 고체 레이저의 단점들 중 하나는 평균 출력이 제한적이라는 것이다. 이 고체 레이저의 다른 단점은 작동 중에 열적 효과가 발생된다는 점이다. 또한, 큐 스위치식 레이저는 지속 기간이 매우 짧은 펄스만을 생성시킬 수 있다.

미국 특허 출원 공개 공보 US2007/0060917호에는, 도 1a와 도 2a에서, 이득 스위칭된 펄스가 방출될 수 있는 레이저 공명기 구조물을 포함하는 중적외선 다이오드 측면 여기식 고체 레이저가 개시되어 있다. 이 고체 레이저의 단점들 중 하나는 발생된 레이저 광의 평균 출력이 제한적이고 낮다는 것이다.

미국 특허 US6,366,596 B1호에는 특히 중적외선 방사선(MIR radiation)을 발생시키는 다이오드 측면 여기식 OPO(optical parametric oscillator) 레이저가 개시되어 있다. 비록 파장이 중적외선 파장 영역의 넓은 범위에서 튜닝될 수 있지만, 이러한 레이저의 단점은 출력 밀도(강도)가 높을 경우에는 펄스 지속 기간이 한 자리 또는 두 자리의 나노초 영역으로 짧거나 혹은 레이저 펄스 길이가 마이크로초 영역에 있으면 레이저 펄스 강도가 매우 낮다는 것이다. 또한, 이러한 레이저는 복잡하고, 다양한 광학 코팅을 구비한 광학 요소들을 요구하며, 이에 따라 매우 비싸다. 다른 단점은 이러한 레이저가 충격과 진동에 강하지 않다는 것과 다수의 중요한 부품(critical component)들이 시스템 고장의 가능성을 증가시킨다는 것이다.

미국 특허 US5,642,370호, US5,643,252호, US5,868,731호; US5,908,416호, US5,947,957호, US6,251,102 B1호 및 US6,395,000 B1호에는 중적외선 파장 영역에서 작동하는 측면 여기식 고체 레이저가 개시되어 있다. 이들 레이저 중 일부는 배터리 구동형이고 이른바 자가식이어서, 하나의 레이저 펄스를 전달하고 나서 고전압 전원의 커패시터를 충전하는 시간이 수 초 걸린다.

이에 따라, 본 발명의 목적은 고출력 레이저 광 펄스를 발생시키기 위한 측면 여기식 고체 레이저 장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 목적은 저렴하고, 튼튼하고 신뢰성 있는 레이저 장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 고성능으로 작동하는 레이저 장치를 제공하는 데 있으며, 특히 고 펄스 에너지 및/또는 고출력을 가지며 특히 넓은 작동 범위에서 높은 펄스 반복률을 허용하는 레이저 광을 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 특히 1700nm 내지 3200nm의 중적외선 범위의 파장을 갖는, 의료 분야에 사용하기에 적합한 레이저 장치 및/또는 특히 생체 조직을 치료하거나, 절단하거나 혹은 제거하기에 적합한 레이저 장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은, 취급하기 쉽고 특히 유지보수가 용이한, 사용자가 고출력 레이저 펄스 치료를 행할 수 있게 하는 치료 장치를 제공하는 데 있다. 또한, 본 발명의 목적은 고 출력 레이저 펄스 치료가 전용 치료 유닛 밖에서 이루어질 수 있게 하는 치료 장치를 마련하는 데 있다.

이러한 문제점은 청구항 제1항의 특징을 포함하는 일체형 측면 여기식 고체 레이저를 이용하여 해결된다. 종속 청구항들 제2항 내지 제27항은 선택적인 특징들을 개시하고 있다. 또한, 문제점들은 청구항 제28항의 특징을 포함하는 일체형 측면 여기식 고체 레이저의 작동 방법에 의해서도 해결되고, 종속 청구항 제29항 내지 제31항은 선택적인 특징들을 개시하고 있다.

상술한 문제점은 특히, 일체형 측면 여기식 고체 레이저로서, 종축(L)을 갖는 레이저 이득 매질로 이루어진 레이저 공진기 구조물을 포함하며, 레이저 공진기 구조물은 선형 광 경로 공진 공동을 사이에 형성하는 단부면들을 포함하고, 단부면들 중 적어도 한 단부면은 특히 그 위에 증착된 적어도 부분적으로 반사하는 코팅을 포함하며, 레이저 이득 매질은 여기원의 여기광을 수용하기 위한 측면을 포함하고, 여기광은 다이오드 레이저에 의해 발생되며, 레이저 이득 매질과 접촉되는 접촉면들을 포함하는 전도성 냉각기를 포함하며, 종축(L)에 대해 측면 반대측에 배치된 반사기를 포함하는 일체형 측면 여기식 고체 레이저에 의해 해결된다.

또한, 상술한 문제점은 특히, 일체형 측면 여기식 고체 레이저로서, 종축(L)을 갖는 레이저 이득 매질로 이루어진 레이저 공진기 구조물을 포함하며, 레이저 공진기 구조물은 선형 광 경로 공진 공동을 사이에 형성하는 단부면들을 포함하고, 단부면들 중 적어도 한 단부면은 특히 그 위에 증착된 적어도 부분적으로 반사하는 레이저 미러를 포함하며, 레이저 이득 매질은 여기원의 여기광을 수용하기 위한 측면을 포함하고, 여기광은 다이오드 레이저에 의해 발생되며, 레이저 이득 매질과 접촉되는 접촉면들을 포함하는 전도성 냉각기를 포함하며, 종축(L)에 대해 측면 반대측에 배치된 반사기를 포함하고, 레이저 이득 매질은 특히 저 이득 물질인 일체형 측면 여기식 고체 레이저에 의해 해결된다.

또한, 상술한 문제점은 특히, 종축(L)을 갖는 레이저 이득 매질로 이루어진 레이저 공진기 구조물을 포함하는 일체형 측면 여기식 고체 레이저의 작동 방법으로, 여기광은 측면)을 통해 레이저 이득 매질로 공급되고, 여기광의 일부가 반대측 측면(2b)에서 출거(exiting) 여기광으로서 레이저 이득 매질을 빠져나가며, 출거 여기광은 반사되고, 반사된 여기광은 반대측 측면에서 레이저 이득 매질로 다시 들어가는 일체형 측면 여기식 고체 레이저의 작동 방법에 의해 해결된다.

미국 특허 출원 공개 공보 US2007/0060917호에 개시된 다이오드 측면 여기식 고체 레이저는 저 품질의 레이저 광, 즉 강도가 낮은 레이저 광을 발생시킨다. 다른 한편으로, 생체 조직을 고 효율로 제거하기 위해서는 레이저 광이 특정 수준의 강도를 필요로 한다는 것이 밝혀졌다. 또한, 다이오드 측면 여기식 고체 레이저는 플래시 램프 여기식 고체 레이저보다 펄스 에너지를 덜 방출한다는 것이 공지되어 있다. 본 발명에 따른 일체형 측면 여기식 고체 레이저는 레이저 광의 강도, 즉 빔 품질을 향상시기 위해 몇몇 기술적 특징들을 이용한다. 우선, 단면적이 7.5mm² 미만인 레이저 이득 매질이 사용되고, 이 단면 영역은 레이저 진행 방향과 직교하고 평면 레이저 미러의 경우에는 평면 레이저 미러와 평행한 레이저 이득 매질 내부의 표면이다. 레이저 이득 매질이 단면이 원형 또는 타원형인 봉 형상을 갖는 경우, 이는 봉의 직경이 3mm 이하, 바람직하게는 2mm 이하, 가장 바람직하게는 1mm 이하라는 것을 의미한다. 직경이 이와 같이 작은, 즉 단면적이 이와 같이 작은 봉의 장점은 레이저 이득 매질 내부에 레이저 진동을 개시시키는 데 필요한 특정 출력 밀도를 달성하는 데에 필요한 여기 출력이 더욱 적다는 것이다. 또한, 단면적이 이와 같이 작은 레이저 봉은 레이저 내부의 구멍처럼 작용함으로써, 더욱 높은 가로 레이저 모드(transversal laser mode)를 위한 손실을 유도하는데, 다시 말하자면 레이저 광의 품질을 개선시키는 것이다. 단면적이 이와 같이 작은 봉을 사용하는 것에 의해서만이 레이저 이득 매질 내부에 충분한 출력 밀도를 발생시키는 것이 가능한데, 여기광은 반도체 레이저에 의해 발생된다. 레이저 봉의 직경이 4mm라고 가정하면, 단면적은 약 12.5mm²로 증가할 것인데, 이는 3mm 봉의 단면적의 약 두 배이다. 4mm봉은 동일한 출력 밀도를 달성하기 위해 3mm 봉보다 두 배의 여기 출력이 필요하다. 바람직한 실시예에서는, 레이저 활성 매질 내의 다이오드 여기 출력은 20 내지 500W/mm³이다.

바람직한 실시예에서는, 공동내 레이저 강도(레이저 활성 매질 내의 레이저 강도)는 5kW/cm² 내지 10MW/cm²이고 더욱 바람직하게는 10 내지 100kW/cm²이다.

레이저의 효율을 증가시키는 데에 더욱 유리한 방안은 레이저 외부에서 커플링되는 비율을 최적화하는 것이다. 유도 방출 단면적, 즉 레이저 이득 매질의 이득이 작을수록, 레이저를 효과적으로 작동시키기 위해서는 레이저 외부에서 커플링되는 비율이 낮아야 한다. 이는, 레이저 발진을 개시하는 데에 유리한, 레이저 공동 내부의 강도가 높은 것에 상당한다. 이에 따라 유도 방출 단면적이 작고 레이저 공동 내부에서는 강도가 높은 레이저 이득 물질로 레이저를 작동시키는 것이 유리하다.

레이저 이득 매질의 내의 강도를 증가시키는 또 다른 유리한 방안은 반사율이 92.5 내지 99% 범위인 출력 커플러를 사용하는 것이다. 레이저 이득 매질의 내의 강도를 증가시키는 또 다른 유리한 방안은 공동 손실을 줄이는 것이다. 이는 미국 특허 출원 공개 공보 US2007/0060917호에 개시된 것과 같은 고체 레이저의 경우에서는 불연속적인 레이저 공동을 사용하면 레이저 이득 매질로부터 공기로 그리고 공기로부터 레이저 미러로의 매질 전이를 통해 이 전이 중의 레이저 광의 반사 손실 및 흡수 손실로 인한 광 손실이 발생되므로 불리하다. 사용되는 레이저 매질이 저 이득 레이저 물질이기 때문에, 이들 추가 손실들은 그러한 공지의 레이저 시스템들이 효율적으로 작동하는 것을 방지한다. 특히 1700 내지 3200nm 영역의 중적외선 파장에서 작동하는 레이저 공동의 또 다른 단점은, 레이저 이득 매질과 레이저 미러 사이의 먼지 또는 습공기가 방출 레이저 광의 강력한 수분 흡수로 인해 레이저 시스템의 효율을 매우 감소시키거나 혹은 레이저 공동이 레이저 광을 방출하는 것을 거의 중단시킨다는 것이다. 이는 추가적인 손실을 일으켜서 레이저 이득 매질 내의 강도를 더 감소시킨다.

레이저 성능을 개선하는 또 다른 유리한 방안은 레이저 이득 매질 온도를 제어하는 것이다. 직경이 이와 같이 작은 레이저 봉은 더 양호한 표면적 대 부피 비를 나타내므로 더욱 효율적으로 냉각되거나 혹은 가열될 수 있는데, 이에 따라 레이저 빔 품질의 열 유도 왜곡을 감소시킬 수 있다. 개선된 열 성능에 의해 나타나는 또 다른 장점은 출력이 증가되고 광대광 효율(optical to optical efficiency)이 증가된다는 것이다.

레이저 출력 빔 품질을 최적화시키는 또 다른 유리한 방안은 레이저 활성 이득 매질을 대칭적으로 냉각시키는 것이다. 국제 특허 공개 공보 WO2004/034523호의 레이저 이득 매질이 대칭 냉각되지 않는다는 점으로 인해 빔 프로파일은 균일하지 않고 이에 따라 빔 파라미터 프로덕트(beam parameter product)(M²)가 안 좋고, 이에 따라 집속성(focusability)이 불량하다. 본 발명에 따른 레이저 활성 이득 매질의 대칭 냉각에 의해서 균일한 빔 프로파일과 활성 매질의 종축에 대칭이고 공선적인 열 렌즈가 만들어진다. 이에 따라 레이저가 항상 이 축을 따라 발진하는 것이 보장되고, 따라서 이는 여기 출력, 반복률 및 듀티 사이클 같은 파라미터들의 넓은 범위에 걸쳐서 안정적인 작동을 보장하는 데 필수적인 특징이다.

본 발명에 따른 고체 레이저의 또 다른 장점은 제조 비용이 낮고 유지 보수의 필요성이 적다는 것이다. 이에 따라 시장 수용성(market acceptance)이 크게 개선된다. 이 장점은 필요한 광학 요소의 수 및/또는 조정가능한 광학 요소 또는 레이저 공동의 수를 줄이는 것에 의해 달성된다. 특히 휴대용 또는 이동가능한 레이저 기반의 의료용 및 비의료용 장치들의 조정가능한 광학 요소들 또는 레이저 공동들은 시장 실패 및 비싼 제품 콜백(product call-back) 또는 적어도 높은 유지보수 비용의 원인이었다. 본 발명에 따른 고체 레이저는 내충격성과 내진동성이 높고, 예컨대 온도, 습도와 같은 환경 조건의 신속한 변화 후에도 안정적이고, 레이저 기반 의료 장치에 대한 법과 규칙에 의해 요구되는 안정적이고 일정한 레이저 출력을 보장한다. 통상적인 방법에 따라 제조된 레이저 장치는 튼튼함이 문제고 일반적으로 자체적인 조정이 불가능하다(self-disadjust). 또한, 온도, 기계적인 응력(충격, 진동), 광학계 상의 먼지 등에 의해 발생되는 레이저 출력의 감소가 일어날 수 있다. 이러한 장치는 수리되어야 하고, 광학계는 세정되고 레이저 공동은 정기적으로 재정렬되어야 하는데, 이에 따라 높은 유지보수 비용이 발생된다.

본 발명에 따른 고체 레이저의 또 다른 장점은 매우 효율적이고 또한 짧은 레이저 공동으로 인해 구성이 매우 소형화될 수 있다는 것이다. 이에 따라 과거에는 고 출력 고체 레이저를 수용할 수 없었던 장치부에 고체 레이저를 설치할 수 있게 된다. 일례로는 예컨대 최대 5W의 중적외선 고체 레이저를 미국 특허 US7,118,563에 도시된 바와 같은 이른바 자가형 또는 휴대형 고주파 장치에 설치할 수 있을 것이다. 오늘날에는 근적외선(780 내지 1400nm)의 다이오드 레이저만이 그러한 장치에 사용될 수 있다. 본 발명의 한 가지 장점은 배터리 구동식 자가형 장치가 이제는 중적외선 고체 레이저를 구비할 수 있다는 것이다. 또한, 그러한 장치가 예컨대 1kg 이하로 경량화될 수 있다. 소형이고 전력을 덜 소비하는, 레이저를 포함하는 다른 새로운 장치가 만들어질 수 있다. (1) 전원 공급 장치, 냉각 유닛 및 최종적으로는 제어 유닛을 담고 있는 탁상부와, (2) 고체 레이저, 최종적으로는 빔 형성용 광학계, 빔 편향 수단 그리고 아마도 제어 유닛도 담고 있는 휴대 유닛으로 이루어진 장치에 대해서도 생각할 수 있을 것이다. 휴대 유닛은 유지보수를 이유로 분리될 수 있고 소형 경량의 패키지 내에서 장치 제조업자에게 보내질 수 있을 것이다. 장치를 제조업자에게 발송하기 전에, 소유자는 제조업자에게 알릴 수 있고 서비스를 이유로 일반적인 우편을 통해 소유자의 휴대 유닛이 되돌아오기 전에 임시 휴대 유닛을 마련할 수 있을 것이다. 정확한 절차는 다음과 같다. 즉, 가) 서비스를 이유로 베이스 스테이션(base station)에서는 사용자에게 서비스가 곧 이루어질 것이라는 것과 사용자가 휴대 장치 유닛 또는 핸드피스를 임시로 교체하기 위해 장치 제조업자에게 연락해야 한다는 것을 알릴 수 있다. 나) 장치 소유자 또는 사용자는 구두 메시지 또는 문서화된 메시지를 장치 유통업자 또는 제조업자에게 보낸다. 다) 장치 유통업자 또는 제조업자는 임시 교체용 휴대 장치 유닛 또는 핸드피스를 담은 택배를 발송한다. 라) 장치 소유자 또는 사용자는 간단한 플러그 커넥터로 인해 매우 짧은 시간 내에 휴대 장치를 바로 교체하고, 이에 따라 정지시간이 없다. 마) 택배 업자는 서비스를 위해 휴대 장치 유닛 또는 핸드피스를 서비스 센터 또는 장치 제조업자에게 가져가고, 그곳에서 휴대 장치 유닛 또는 핸드피스는 수리되고 서비스된다. 바) 서비스 절차가 완료된 후에, 휴대 장치 유닛 또는 핸드 피스는 장치 소유자 또는 사용자에게 되돌아온다. 사) 장치 소유자 또는 사용자는 휴대 장치 유닛 또는 핸드피스를 다시 교체하고 임시 휴대 장치 유닛 또는 핸드피스는 되돌려 보낸다. 더욱 비싼 비용이 소요되는 서비스 요원의 출장이 필요 없고, 더욱 비싼 비용이 소요되는 깨지기 쉬운 광학계를 구비한 무거운 장치를 더 이상 발송할 필요도 없다. 비싼 비용이 소요되는 지방 서비스 센터가 더 이상 필요 없다. 사용자는 서비스 요원을 위한 공간을 확보하고 장치가 수리될 때까지 대기하지 않아도 된다. 여기에 추가로, 다른 기능(펄스 에너지, 파장, 추가적인 방안 등)을 갖는 휴대 장치 또는 치료에 최적화된 휴대 장치가 베이스 스테이션에 부착될 수 있다. 이러한 모든 장점들에 의해서 제품은 매우 경제적이 되고 소비자는 만족할 수 있게 된다. 위에서 설명한 모든 장점들은 탁상 유닛/베이스 스테이션이 없는 자가형 장치에 대해서도 유효하다.

또 다른 유리한 실시예에서는, 여기광은 레이저 이득 매질(2)에 여기광이 거의 균일하게 분포되도록 안내된다. 가장 유리하게는, 이는 레이저 이득 매질의 종축에 대해 측면 반대측에 배치된 여기광 반사기에 의해 달성된다. 이러한 구성에 의해, 여기광은 측면에서부터 레이저 이득 매질로 들어가서 레이저 이득 매질을 가로질러 레이저 이득 매질을 빠져나오고, 여기광 반사기에 의해 반사되고, 반사된 광은 다시 레이저 이득 매질로 들어달 수 있게 된다. 이 실시예에서는 레이저 이득 매질 내에서 균일한 광 분포가 이루어진다. 이와 같은 균일한 광 분포의 장점은 통상의 시스템들에 비해 더욱 우수한 레이저 모드가 발생된다는 것이다. 이 레이저 모드는 매우 잘 집속될 수 있는 레이저 빔의 비결인 1 내지 25의 빔 파라미터 프로덕트 M²를 가질 수 있다.

단면적이 작은 레이저 이득 매질의 또 다른 장점은 레이저 빔이 매우 작은 직경으로 집속될 수 있다는 것이다. 레이저 이득 매질 단면적을 갖는 공지의 플래시 램프 여기 레이저 또는 다이오드 여기 레이저에서는 레이저 빔이 300 내지 500㎛로 집속될 수 있다. 본 발명에 따른 고체 레이저에 사용되는 레이저 이득 매질에 의해서는 레이저 빔이 약 100 내지 250㎛로 집속될 수 있다. 이에 따라 집속부에서의 레이저 강도가 증가된다.

본 발명에 따른 고체 레이저의 또 다른 장점은 이와 같이 단면적이 작은 레이저 빔이 이제는 얇고 이에 따라 저렴한 광섬유를 통해 높은 효율로 전송될 수 있다는 것이다. 본 발명의 또 다른 장점은 레이저 빔의 품질이 더 우수할수록 섬유에의 인커플링은 더욱 효율적이어서 손실이 감소된 것과 동등하기 때문에 레이저 빔의 섬유로의 전송이 더욱 효율적이라는 것이다.

본 발명에 따른 고체 레이저의 또 다른 장점은 예를 들어 레이저 미러 또는 플래시 램프와 같은 조정가능한 광학 요소를 포함하지 않는다는 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 고체 레이저는 충격, 진동에 의한 조정불능(disadjustment) 및 열적 효과로 인한 시간에 따른 조정불능에 강하다. 또 다른 장점은 고체 레이저는 플래시 램프에서는 일반적인 현상인 시간에 따른 출력의 손실을 극복한다는 것이다.

본 발명에 따른 고체 레이저의 또 다른 장점은 유지보수 비용이 낮다는 것이다. 레이저 기반 의료용 장치들에 대한 법과 규정 때문에, 광 출력의 변경은 작은 범위 내에서만 허용된다. 따라서, 공지의 고체 레이저들은 그러한 법과 규정을 충족시키도록 주기적으로 많은 비용을 들여 유지보수를 행해야 하거나 혹은 복잡한 제어 메커니즘을 필요로 한다.

바람직한 실시예에서, 본 발명은 의료 분야에서 사용되는, 특히 경조직을 포함하는 생체 조직을 치료, 절제 또는 제거하기 위한 레이저 광을 발생시키도록 구성된 레이저 장치를 제공한다. 레이저 장치와 생체 조직의 치료 또는 제거에 관한 배경 정보는 국제 특허 공개 공보 WO2006/111526호, WO2006/111200호, WO2006/111199호, WO2006/111429호 및 WO2008/04990호에 개시되어 있는데, 이들 모두의 내용을 원용에 의해 본 명세서 내에 포함한다. 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 레이저 장치는 경조직을 포함하는 생체 조직을 치료하거나, 절제하거나 혹은 제거하기 위해 사용된다. 가장 유리한 생체 조직 제거는 펄스길이가 1 내지 15㎲이고 강도가 10³ 내지 10⁸W/mm²인 레이저 펄스에 의해서 달성된다는 것이 밝혀졌다. 이러한 레이저 펄스에 의해서 인접한 생체 조직의 파괴, 예컨대 변성(denaturation), 응집, 탄화와 같은 열 손상을 줄이면서 생체 조직을 매우 효율적으로 제거할 수 있게 된다. 생체 조직을 효율적으로 제거하기 위해서는 특정 수준의 강도가 필요하고 특정 수준의 강도는 높은 펄스 에너지보다 더욱 중요하다는 것이 밝혀졌다. 긴 펄스 지속 시간에 의해 달성되는 높은 펄스 에너지의 펄스는 예컨대 연조직에 대해서는 10³ 내지 10⁶W/mm²인 그리고 경조직에 대해서는 10⁵ 내지 10⁸W/mm²인 특정 강도보다 훨씬 덜 효율적이라는 것이 밝혀졌다. 따라서, 강도가 10³ 내지 10⁸W/mm²인 레이저 광을 발생시키는 것이 생체 조직을 제거하거나 절제하기에 가장 바람직하며, 레이저 광의 펄스 길이는 가장 바람직하게는 1 내지 15㎲이고 덜 바람직하게는 15 내지 200㎲이다. 예컨대 큐 스위치식 레이저 또는 OPO(optical parametric oscillator) 레이저에 의해 발생된 15㎲보다 짧은 펄스는 충격파를 통한 기계적인 방식으로 조직을 파괴하여 세포들을 자연 접합 상태(natural bond)로부터 분리시킨다. 생체 조직과 같은 목표 상에서 10³ 내지 10⁸W/mm²인 강도를 얻기 위해, 목표에 닿는 레이저 광의 크기는 특히 렌즈를 이용하는 것에 의한 빔 형성을 이용하여 형성될 수 있다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 생체 조직을 절제하거나 제거하기 위한 고체 레이저와 이 고체 레이저를 포함하는 장치가 개시된다. 고체 레이저는 광 공동; 광 공동 내에 배치된 이득 매질; 이득 매질을 광 여기시켜서 레이저 광을 발생시키도록 정렬된 반도체 레이저를 포함하고, 발생된 레이저 광은 생체 조직을 절제하거나 제거하기에 적합한 파장과 강도를 갖는다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 경조직을 포함하는 생체 조직을 절제하거나 제거하는 방법으로서, 이득 매질, 반도체 레이저 및 광 공동을 제공하는 단계; 반도체 레이저가 이득 매질을 여기시킬 수 있게 광학적으로 정렬되도록 이득 매질과 반도체 레이저를 광 공동 내에 배치하는 단계; 이득 매질을 광학적으로 여기시켜서 레이저 광을 발생시키도록 반도체 레이저를 활성화시키는 단계; 및 레이저 광을 연조직, 준경조직 또는 경조직과 같은 생체 조직으로 안내하여 생체 조직을 절제하거나 제거하는 단계를 포함하는, 생체 조직을 절제하거나 제거하는 방법이 개시된다.

일 실시예에서는, 레이저 빔의 펄스 폭, 펄스 형상, 반복률, 펄스 강도 및 펄스 에너지 중 적어도 하나가 조정될 수 있고, 이에 따라 생체 조직 내에 생성된 개별 절제부 또는 기공의 특성 및 펄스 당 생체 조직 제거 깊이를 조정할 수 있게 된다.

생체 조직을 치료 또는 제거하기 위한 레이저는 파장이 1700 내지 3200nm이다. 가장 바람직하게는 약 2950nm의 파장이 사용되는데, 이는 이 파장이 중적외선 범위의 물 흡수 스펙트럼에서의 주된 극대값이기 때문이다.

본 발명에 따른 고체 레이저는 바람직하게는 직경이 0.5 내지 2.5mm, 더욱 바람직하게는 직경이 0.5 내지 1mm인 레이저 광을 발생시킨다.

이러한 고체 레이저는 펄스 시간 폭이 바람직하게는 1 내지 500㎲, 특히 1 내지 200㎲, 가장 바람직하게는 1 내지 15㎲이다.

이러한 고체 레이저는 레이저 펄스 에너지가 0.1mJ 내지 100J, 특히 1mJ 내지 5J이다.

이러한 고체 레이저는 한 점에 집속될 수 있고, 레이저 방사선의 강도가 1 내지 10⁸W/mm², 특히 10³ 내지 10⁷W/mm²이다.

결정의 중요한 설계 파라미터는 여기 출력과 결정의 직경이며, 레이저 소재의 중요한 파라미터는 유도 방출 단면적, 수명 및 광자 에너지이다.

레이저 작동을 위해서, 레이저 활성 물질에 에너지가 공급되는 방식은 중요하지 않다. 즉 여기광이 옆에서부터 또는 공선적으로 들어가는지 또는 여기원이 레이저 다이오드인지 플래시 램프인지 등은 중요하지 않다. 본 발명의 출발점은 레이저 활성 물질이 에너지로 가득 차 있다는 것, 구체적으로는 레이저 다이오드에 의해 이미 여기되어 있다는 것이다. Er:YAG의 경우, 이는 980nm의 여기광이 결정에 들어갔고 총 공급 에너지는 E_pump로서 레이저 활성 이온으로 전달된 것을 의미한다. 이 과정에서, 에너지가 손실되고, 레이저 작동을 위해서는 단지 다음의 양, 즉 E_stored = E_pump x (Wavelength_pump/Wavelength_laser) = E_pump x 980/2940(예컨대 Er:YAG의 경우) = 0.33 x E_pump만 이용가능하다.

레이저의 중요한 단면(A)은 레이저 축, 이 경우에서는 레이저 결정의 단부면들과 직교하며, 직경(d)에 정비례한다.

물질의 관점에서, 레이저 전이의 유도 방출 단면적, 광자 에너지 및 수명이 중요하다. 수명은 결정의 여기를 위해 중요한데, 이는 결정이 레이저 임계치에 도달하게 해야 하기 때문이다. 레이저 작동이 시작되면 레이저 활성 이온의 수명은 아웃커플링과 다른 공동 파라미터들에 의해 정해지며 더 이상 전적으로 상부 레이저 레벨의 수명에 의해서 정해지지는 않는다. 에너지가 이미 결정 내부에 있는 상황에서 집속이 유지되기 때문에, 수명은 무시할 수 있다. 이 상황은 레이저 결정이 여기되고 그 후에 증폭용 펄스가 전송되는 레이저 증폭기와 매우 유사하다.

따라서, 레이저 전이의 광자 에너지와 유도 방출 단면적만이 물질 파라미터로 남게 된다. 광자 에너지는 상부 레이저 수준과 하부 레이저 수준 간의 차이이고, 유도 방출 단면적은 다른 레이저 광자의 방출을 유도하기 위해 광자가 통과해야 하는 한 레이저 활성 이온 둘레의 면적이다.

레이저 증폭기에서는, 주된 설계 파라미터는 결정 면적(A) 전체를 레이저 광자를 공급할 준비가 되어 있는 활성 레이저 이온으로 채우기 위해 결정으로 여기되어야 하는 에너지를 정의하는 포화 플루엔스(saturation fluence)이다. 즉, 결정으로 들어가는 모든 광자는 다른 광자의 방출을 유도할 가능성이 크다.

이 식은 물질 파라미터들인 광자 에너지와 유도 방출 단면적을 여기 에너지와 결정 직경과 결합한 것이다(비례 계수 x는 작을수록 좋음). 이해가 쉽도록 x=1이라 하면,

광자 에너지는 레이저 파장에 의해 고정되고, 유도 방출 단면적이 작을수록 전체 식은 커진다. 우측을 최대화하기 위해서는 더욱 많은 에너지가 결정으로 여기되거나 혹은 결정 직경(d)을 감소시켜서 면적(A)이 감소될 필요가 있고, 또는 그 둘 다 동시에 이루어질 필요가 있다.

종합하면, 방출 단면적이 작은 레이저 물질은 직경이 작은 레이저 결정을 매우 강하게 여기시키는 것에 의해서만 작동될 수 있다.

여기광이 측면을 통해 레이저 이득 매질로 공급되고, 반대측 측면에서 여기광의 30 내지 70%, 바람직하게는 30 내지 50%가 출거 여기광으로서 레이저 이득 매질을 빠져나가고, 출거 여기광은 반사기에 의해 반사되고, 반사 여기광은 반대측 측면에서 다시 레이저 이득 매질로 들어가는 실시예가 유리하다. 이득 매질의 흡수 피크에 있는 파장과 다른 특정 파장을 사용하면, 입사 여기광은 레이저 이득 매질에 의해 단지 부분적으로만 흡수되고 이에 따라 입사 여기광의 30 내지 70%, 바람직하게는 30 내지 50%의 양이 레이저 이득 매질을 빠져나가서 레이저 이득 매질을 향해 다시 반사되며, 전체적으로 50 내지 91%, 바람직하게는 75 내지 91%까지 추가로 흡수되므로 유리하다. 따라서, 레이저 이득 매질 내에서 균일한 광 분포가 이루어지고, 이에 따라 방출된 레이저 빔 내에서 가우스 분포와 유사한 균일한 에너지 분포가 이루어진다. 반사기는 높은 반사 계수를 갖는 것으로 구현되어, 입사광의 거의 전부를 반사하며, 또한 레이저 이득 매질의 균일한 조명을 향상시키기 위해서 부분적으로 반사시키거나 확산시킬 수 있다.

흡수 최대점(absorption maximum)에 대한 여기원의 파장/파장 영역 시프트는 결정 직경 및 결정 물질의 도펀트 농도에 좌우되고, 결정 직경이 한 흡수 길이와 동일하도록 선택된다. 흡수 길이는 레이저 물질로 들어가는 여기 방사선의 63.2%가 흡수되고 난 후의 레이저 물질의 길이로 정해진다. 이러한 방안에 의해서 결정 내에서 최적화된 여기광 분포/최적화되고 더욱 균일한 조명이 이루어지게 된다. 여기광 파장/파장 영역이 최대 흡수점으로 선택되면, 여기광은 예컨대 2mm의 결정에서 예컨대 1mm 안으로 흡수될 것이고 결정의 나머지 부분에는 조사되지 않아 레이저 빔 품질이 크게 저하된다. 식을 단순화시켜서 표현하면 다음과 같다.

결정의 직경: X

흡수 계수: alpha

조건: X x alpha = 1

흡수 규칙: 결정 내에서의 흡수 = exp(-X x alpha) = exp(-1) = 0.632. 레이저 물질 각각은 특정 흡수 계수 alpha를 갖는데, 이 흡수 계수는 파장에 좌우되고 이에 따라 이 방정식은 이러한 여기 구조에서는 모든 레이저 물질들에 대해 유효하다.

종축에 평행하게 배열된 레이저 다이오드 어레이로 구현된 여기원은 레이저 이득 매질에 그 길이를 따라 분포되는 여기광이 공급될 수 있는 장점이 있다. 여기원의 길이는 레이저 이득 매질의 길이의 적어도 30%이다. 이 실시예는 저 이득 물질의 레이저 발진 동작(lasing)을 개시하기 위하여 레이저 이득 매질을 균일하게 조명하고 충분한 여기광 에너지를 제공하는 것이 목적이다.

저 이득 물질은 유도 방출 단면적이 Er:YAG의 유도 방출 단면적과 같거나 작은, 즉 3.0 x 10^-20cm² 이하인 레이저 이득 매질이라는 특징이 있다. 이 레이저 이득 매질은 본 발명에 따른 고체 레이저를, 높은 광학적 및 전기적 효율 계수를 얻기 위해 유도 방출 단면적이 28 x 10^-20cm²인 Nd:YAG 같은 고 이득 레이저 물질이 사용된 고 효율 레이저 시스템과 구별되게 한다. 고 이득 물질을 이용하면, 훨씬 많은 양의 광이 치료 이슈를 위해 광학 공진기 외부에서 커플링될 수 있다.

고체 레이저의 튼튼한 실시예로 인해, 특히 레이저 이득 매질이 전도성 냉각기로 둘러싸이고 유지되는 구성으로 인해, 레이저는 적어도 100G의 어필력(appealing force)을 견딜 수 있다. 이에 따라 레이저는 특수한 발송 절차가 필요 없이 발송될 수 있다. 특히, 레이저가 유지보수 스테이션으로 발송될 수 있으므로, 유지보수를 설치된 장소에서 수행할 필요가 없다.

매우 양호한 레이저 빔 품질로 인해, 다수의 레이저 유닛들을 직렬로(차례차례로, 일렬로 그리고 레이저 빔 진행 방향에 공선적으로) 또는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 공지된 미러들, 계단식 미러들, 렌즈들 및 다른 커플링 유닛들을 통해 쉽게 조합할 수 있다. 다수의 층들을 조합하면 최대 및/또는 평균 출력을 증가시킬 수 있게 될 뿐만 아니라 단일 레이저 유닛들의 요소별 반복률도 증가시킬 수 있게 된다. 고 출력은 매우 적은 양의 물 또는 수산기(OH 결합)를 포함하는 물질을 처리할 수 있게 하거나 매우 큰 충격파와 커다란 공동 기포를 생성할 수 있게 하거나, 또는 심지어는 플라즈마조차 발생시킬 수 있게 할 것이다.

상기 레이저의 일체형 구성은 레이저 고 반사기가 이득 매질에 직접 증착되고 출력 커플러가 이득 매질의 반대측 단부에 직접 증착되는 것이 특징이다. 앞에서 설명한 레이저 물질의 저 이득으로 인해, 레이저 물질에서 유리 공기로 그리고 미러 물질로, 그리고 반대 순서로 매질이 변경될 때의 손실 때문에 레이저 발진 작동이 거의 일어나지 않을 것이므로, 레이저 물질의 단부면들에서 오프셋된 레이저 미러들을 구성하는 것은 상당히 어렵다.

본 발명의 한 가지 목적은, 하우징에 배치된 본 발명에 따른 고체 레이저를 포함하고 이에 의해서 고체 레이저의 방출된 레이저 빔이 가요성 호스 내의 광 안내 요소에 의해 휴대 장치로 안내되도록 구성된 치료 장치에 의해서 해결된다. 휴대 장치는, 레이저 빔을 목표면으로 안내하기 위한, 광 안내 요소의 단부를 위한 출구 포트를 포함한다. 가요성 호스는 광 안내 요소를 포함하고 이에 따라 레이저원과 휴대 장치인 치료 작업 장치를 분산되게 배치할 수 있게 되며, 고 에너지 출력 레이저 장치는 출력을 광 안내 요소를 통해 치료 장치로 전달한다.

충분한 에너지 밀도를 갖는 여기광을 발생시키기 위하여 고체 레이저의 여기광이 다량의 전기 에너지를 필요로 함에 따라, 전원 공급 장치는 매우 짧은 기간에 다량의 전기 에너지를 공급할 수 있어야 한다. 이는 매우 강력한 전원 공급 장치 또는 일 실시예에 따르면 고 용량 전류 버퍼를 구비한 전원 공급 장치를 필요로 한다. 본 실시예를 이용하면, 버퍼를 충분히 긴 기간 동안 계속 충전시키고 버퍼를 매우 짧은 기간에 방전시켜서 높은 전류 출력을 여기광원에 공급할 수 있다.

상기 치료 장치를 예컨대 의료 용도로 사용하기 위해서, 휴대 장치에서 가압 가스를 이용할 수 있게 하면 매우 유용하고, 따라서 일 실시예에 따르면, 치료 장치의 하우징은 특히 주변 압력에 비해 양압 및/또는 부압인 가압 가스를 발생시키기 위한 장치를 포함한다. 본 발명의 명세서에서 사용된 가압 가스는 특히, 예컨대 치료 영역에서 산소를 제거하는 것에 의해, 제거 작업을 개선하고 그리고/또는 주변에 영향을 주지 않고 제거하는 것을 보장하는 데 사용할 수 있는 공정 가스의 모든 혼합물과 공기를 포함한다.

유사한 실시예로서, 하우징은 가압 액체를 발생시키기 위한 장치를 포함한다. 레이저 빔이 열 제거 방법에 의해 물질을 제거하므로 목표면을 퍼지시키고 그리고/또는 냉각시키는 것이 유용할 수 있으며, 이에 따라 액체가 휴대 장치에서 이용될 수 있으면 유리하다.

따라서, 가요성 호스는 가압 액체를 하우징의 장치로부터 휴대 장치로 전달하기 위한 덕트들을 포함하거나 혹은 가압 가스를 휴대 장치로 공급하기 위한 덕트를 포함한다. 양압/상대 압력의 가압 가스를 이용하는 것은 예컨대 불활성 가스 캡을 치료 지점 주위에 공급하기 위해, 특히 목표면 상의 레이저 빔 작동 영역 주변에서 산소 분위기를 방지하기 위해 사용될 수 있다. 부의 상대 압력을 갖는 가스를 이용하는 것은 목표면 상의 레이저 빔 작동 영역에서 물질을 흡출하기 위해 사용될 수 있다. 레이저 빔이 목표면에서 물질을 제거할 것이므로, 레이저의 적절한 작동을 위하여 제거된 물질은 목표면에서 치워져야 한다. 상기 실시예에 따르면, 이 물질은 가요성 호스의 덕트를 통해 폐기 유닛 또는 하우징의 폐기성 유닛으로 흡출되어 운반될 수 있어, 목표면을 깨끗하게 할 수 있다.

하우징이 분리가능한 커넥터 수단을 포함하는 실시예는, 치료 장치의 사용은, 특히 휴대 장치의 사용은 매 번 새로운 휴대 장치와 가요성 호스를 가지고 수행될 수 있다는 장점이 있다. 해로운 물질이 있는 사용 분야에서는, 휴대 장치와 가요성 호스가 오염될 가능성이 있어 교체될 필요가 있다. 이러한 실시예는 예컨대 산화 실리콘 기반의 광 안내 요소와 같은 저렴한 광학적 광 안내 요소에 적합한데, 호스 내의 광 안내 요소를 휴대 장치와 함께 버리는 것이 완전한 세정을 행하는 것보다 저렴하다. 그렇지 않으면, 휴대 장치 전체가 가요성 호스와 함께 세정되고 멸균될 수 있다.

예컨대, 사파이어, 게르마늄 옥사이드, 지르코늄 플루오라이드, 세라믹 섬유, 세라믹 유리 섬유, 셀렌 또는 텔루륨 함유 섬유, 또는 일반적으로 플루오라이드 기반 또는 세라믹 기반 또는 결정성 물질 기반 섬유로 만들어진 매우 비싼 광 안내 요소를 호스에 배치하는 경우에는, 광학적 광 안내 요소를 유지하고 휴대 장치만을 교체하거나 세정하는 것이 중요하다. 일 실시예에 따르면, 휴대 장치는 휴대 장치가 매 번 사용하고 나서 폐기될 수 있게 하는 분리가능한 커넥터 수단을 포함한다. 또 다른 실시예에 따르면, 분리가능한 커넥터 수단은 하우징에 배치될 수 있어, 휴대 장치가 호스와 함께 하우징으로부터 분리될 수 있게 된다. 또 다른 실시예에서는, 호스가 양 단부에 분리가능한 커넥터를 포함할 수 있어 휴대 장치와 가요성 호스의 개별적인 분리가 행해질 수 있다. 이는, 각기 다른 세정 작업을 행하기에, 예컨대 휴대 장치는 고압 멸균 유닛에서 멸균하기에 적합할 수 있고, 가요성 호스는 살균액에 담겨질 수 있다.

본 발명에 따르면, 휴대 장치는, 레이저 빔을 목표면으로 안내하기 위한, 광 안내 요소의 단부를 위한 출구 포트를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 휴대 장치는 빔 형성 및/또는 편향 유닛을 포함하고, 이에 따라 광학적 광 안내 요소에 의해 제공되는 레이저 빔이 예컨대 특정 에너지 밀도 분포를 제공하도록 혹은 레이저 빔을 목표면 내의 특정 지점으로 편향시키기 위해 혹은 목표면 내의 특정한 이동 특징을 제공하기 위해 형성되게 된다. 광 안내 요소의 단부로 방출되는 레이저 빔은 빔 형성 및/또는 편향 유닛에 들어가고, 그 안에서 처리되고, 출구 포트를 통해 휴대 장치를 빠져나간다.

치료 가능성을 높이기 위해, 휴대 장치는 음향 트랜스듀서, 특히 초음파 음향 트랜스듀서를 추가로 포함한다. 레이저는 주로 목표 영역 내에 고온 펄스를 발생시키고 이에 의해 물질을 제거하는 것에 의해 작동한다. 발생된 음향 펄스를 안내 수단을 통해 예컨대 출구 포트의 팁으로 안내하는 음향 트랜스듀서를 휴대 장치에서 이용가능하게 하면, 레이저에 의해 행해진 열적 제거와 함께 물질을 제거하기 위한 기계적인 에너지를 제공하게 된다. 레이저부는 주변 조직이 손상되어서는 안 되는 중요한 영역에 대해 사용될 수 있고 초음파부는 덜 중요한 영역의 고속 제거를 위해 사용될 수 있다.

어떤 응용 분야에 대해서는, 다수의 빔들이 목표면에서 이용될 수 있으면 유용하고, 이에 따라 일 실시예에 따르면, 휴대 장치는 고체 레이저에 의해 광학적 광 안내 요소를 거쳐서 제공된 레이저 빔을 다수의 레이저 빔들로 공급하는 광 안내 요소 분할 유닛을 포함한다. 광 안내 요소의 분할은 예컨대 광학적 광 안내 요소, 굴절 광학계, 마이크로 렌즈 광학계, 계단식 미러, 복합 파라볼라형 집광기 또는 거꾸로 사용되는 다섬유 집광기를 스플라이싱(splicing)하는 것을 통해 행해질 수 있다. 이 실시예의 또 다른 장점은 레이저가 목표면에 들어가는 매질 변경 계면에서, 다량의 광 에너지로 인해, 목표 영역에서 이용될 수 있는 출력 밀도가 감소된 공동 기포가 발생될 수 있다는 것이다. 레이저 빔을 다수의 레이저 빔으로 분할하면 레이저 빔 당 출력 밀도는 감소되고 이에 따라 이러한 공동 기포가 발생할 가능성도 감소된다. 그 효과로서, 어떠한 에너지도 희망하지 않는 공동으로 낭비되지 않고 더욱 많은 에너지가 목표 영역으로 안내된다.

치료될 목표 영역이 일반적으로는 상당히 작아서 작업자에 의한 치료 과정의 광학적 평가가 상당히 어렵기 때문에, 또 다른 한 실시예에 따르면, 휴대 장치는 광학 이미징 수단을 포함한다. 이 광학 이미징 수단은 예컨대, 출구 포트에 또는 그 둘레에 배치되어 목표 영역을 향하는 CCD 카메라와 같은 이미징 센서일 수 있다. 목표 영역을 향하고 휴대 장치 또는 하우징에 배치된 이미지 포획 수단으로 이미지를 전달하는 한 광학적 광 안내 수단을 구비할 수도 있고, 이를 위해서, 가요성 호스는 획득된 이미지를 휴대 장치로부터 하우징으로 전송하기 위한 다른 광 안내 요소를 추가로 포함한다. 다른 실시예에서는, 두 개의 광학 이미징 수단이 휴대 장치에 배치될 수 있어, 목표 영역을 입체적으로 캡셔닝(stereographic captioning)하고 치료 장치의 조작자에게 목표 영역의 3D 이미지를 제공할 수 있게 된다. 또 다른 실시예에서는, 휴대 장치, 특히 출구 포트가 목표 영역을 조명하기 위한 조명 수단을 포함할 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 휴대 장치는 바람직하게는 50kHz 내지 5MHz 범위의 고주파를 방출하는 고주파 송신기(radio frequency transmitter)를 포함한다. 이 실시예에 의하면, 목표 물질을 희망하는 깊이로 관통하도록 고주파가 선택될 수 있으므로 추가적인 치료가 가능하다. 바람직하게는, 고주파 송신기는 고주파를 치료될, 즉 제거될 조직으로 안내하기 위한 안테나 수단을 포함한다. 레이저부는 주변 조직이 손상되어서는 안 되는 중요한 영역에 대해 사용될 수 있고 고주파부는 덜 중요한 영역의 고속 제거를 위해 사용될 수 있다.

휴대 장치 내에 여러 가지 장치들을 구비시키기 위해, 가요성 호스는 하우징 내의 전원 공급 장치로부터 휴대 장치로 전기 에너지를 공급하는 전원 공급 케이블을 포함한다.

레이저 빔의 목표 영역으로의 방출을 제어하기 위하여, 가요성 호스가 예컨대 제어 유닛과 휴대 장치를 제어 유닛과 하우징에 연결하는 적어도 하나의 데이터 전송 라인을 포함하는 것이 유리하다. 휴대 장치의 제어 유닛은, 특히 사용자가 레이저의 작동을 제어하기 위한 제어 능력을 갖게 하는 사용자와의 상호작용을 행하도록 구현된다. 하우징의 제어 유닛은 휴대 장치의 제어 유닛으로부터 온 명령을 수신하고, 그에 따라 레이저를 작동시킨다. 데이터 전송 라인은 다수의 개별 제어 라인을 필요로 하지 않으면서 다수의 명령을 전송할 수 있으므로 유리하다.

광학적 광 안내 요소는 단일 섬유 광 안내 요소로 구현될 수 있고, 레이저 빔의 전체 광학 에너지가 하나의 단일 섬유 내에서 전송되어 레이저 빔의 섬유에의 커플링 및 목표면으로 안내하기 위한 섬유로부터의 레이저 빔의 수신이 쉬워지는 장점이 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 광학적 광 안내 요소는 다섬유 광 안내 요소로 구현되고, 단일 섬유 각각 내의 에너지 밀도가 감소되어 섬유 재료에 대한 광학 응력이 감소되며 이에 따라 과도한 광 에너지로 인해 섬유가 손상될 가능성이 감소되는 장점이 있다. 또한, 각각의 섬유로부터 목표 영역으로 적은 양의 광 에너지가 방출되므로 공동 기포의 발생 위험도 감소된다. 단일 섬유들 각각은 레이저 빔을 고체 레이저로부터 휴대 장치로 전송하는 동일한 기능을 가질 수 있거나, 혹은 개별 섬유가 각기 다른 작업을 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 다섬유 광학적 광 안내 요소의 한 섬유는 조명을 목적으로 사용될 수 있고, 다른 섬유는 목표 영역의 이미지를 하우징의 분석 모듈로 전송함으로써 감지 또는 분석을 위해 사용될 수 있다. 개별 섬유들 각각은 동일한 소재로 만들어질 수 있는데, 일 실시예에서는 각기 다른 소재가 개개의 섬유들 용으로 사용될 수 있다. 이렇게 하면 각기 다른 파장을 사용할 수 있는 장점이 있는데, 섬유 재료들은 개개의 파장에 대해 최적으로 광을 전송할 수 있도록 선택된다. 따라서, 여러 가지 파장으로 레이저 빔을 방출하도록 조정될 수 있는 하나의 고체 레이저를 구비할 수 있거나, 혹은 각각이 특정 파장을 방출하는 다수의 고체 레이저 또는 반도체 레이저들 또는 발광 다이오드와 같은 광원들이 하우징에 배치되어 레이저 빔을 다수의 개별 섬유들에 커플링시킬 수 있다. 파장은 치료될 물질에 맞추어 조정되어야 하므로, 각기 다른 파장을 사용하면 더 많은 물질이 치료될 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 명세서에서 사용된 섬유라는 용어는 한 파장에서 또는 다수의 파장들에서 광을 입사 단부에서 출력 단부까지 안내할 수 있는 임의의 종류의 광 도파로를 말하는데, 안내 경로는 반드시 직선일 필요는 없다. 예로서는 광섬유(fiber optic), 중공 광섬유, 관절형 미러 암을 들 수 있다. 특히, 섬유는 가요성 호스에 배치될 수 있고, 이에 따라, 레이저 빔의 유리 공기 전송(free air transportation)에서는 발생될 가능성이 있는, 무엇인가가 레이저 빔에 들어가서 파손될 수 있는 위험 없이, 광, 특히 고 출력 레이저 광의 장거리 전송이 가능해진다.

출구 포트의 기본적인 목적은, 레이저 빔이 광학적 광 안내 요소를 빠져나가서 목표면으로 안내되고 이에 따라 휴대 장치를 빠져나갈 수 있게 하는 것이다. 이전의 실시예에 따르면 가요성 호스는 단 하나의 광 안내 요소보다 더 많은 공급 라인을 포함할 수 있고, 이에 따라 이는 출구 포트가 덕트에 연결되는 출구 개구를 포함하는 또 다른 실시예이다. 따라서, 여러 가지 공급 라인은 가요성 호스 내에 배치되고, 휴대 장치의 출구 포트에 직접 출구(direct outlet)를 구비하고, 이에 따라 목표 영역 바로 근처에 있다.

치료 용도의 장치에 따르면, 광 안내 요소 단부가 적어도 부분적으로 출구 개구 둘레에 배치되면 유리하다. 예를 들어 출구 개구가 부의 상대 압력을 갖는 가압 가스를 제공하는 덕트에 연결되면, 방출된 레이저 빔은 목표면으로부터 물질을 제거하고, 제거된 물질은 출구 개구로 흡입되어 덕트를 통해 하우징의 폐기물실로 운반된다. 다른 한편으로, 덕트가 레이저 빔에 의해 제거된 물질을 씻어 내는 액체를 공급하면 유용할 수 있다.

출구 개구가 적어도 부분적으로 광 안내 요소 단부 둘레에 배치된 실시예는 예컨대 레이저 빔 주위에 조절된 분위기와 환경이 확립될 수 있고 이에 의해 목표 영역으로부터 임의의 유리 산소를 제거하는 장점이 있다. 고 에너지 광 펄스가 출구 포트로부터 유리 공기로 방출되면, 이온화 효과가 일어날 수 있어 목표 영역 내에 희망하지 않는 반응물들이 발생될 수 있다. 이는 목표 영역을 불활성 가스로 덮는 것에 의해 방지될 수 있다.

본 발명의 한 가지 목적은, 본 발명에 따른 고체 레이저를 구비한 휴대 장치, 휴대 장치, 특히 고체 레이저에 전기 에너지를 공급하기 위한 전력 공급 장치를 포함하는 탁상 유닛 및 휴대 장치를 탁상 유닛과 연결하는 가요성 호스를 포함하는 치료 장치에 의해서도 또한 해결될 수 있다. 저 이득 레이저 물질의 독창적인 사용으로 인해, 고체 레이저는 레이저 빔을 만들어 낼 때 매우 많은 양의 과도한 열을 발생시키는데, 레이저의 손상을 방지하기 위해 이 열은 고체 레이저로부터 제거되어야 한다. 따라서, 고체 레이저는 냉각 유닛을 포함하는데, 본 발명에 따르면, 이 냉각 유닛은 공동으로 구현된다. 냉각 공동은 가요성 호스에 배치된 두 개의 냉각액 운반 튜브를 통해 탁상 유닛 내의 냉각액 순환 시스템에 연결된다. 이 실시예에 의하면 고 에너지 레이저 빔 출력을 갖는 고체 레이저가 휴대 장치에 배치되고, 과도한 열을 휴대 장치로부터 제거하여 고효율 냉각 시스템이 배치될 수 있는 탁상 유닛으로 전달할 수 있게 된다. 고체 레이저는 고체 레이저를 전기적으로 구동하기 위한 제어 유닛을 추가로 포함하는데, 이 제어 유닛은 본 발명에 따르면 레이저 방출을 유도하기 위한 여기원에 충분한 전류를 제공하는 하나의 고 용량 전류 버퍼를 포함한다. 이 전류 버퍼와 열 순환 시스템에 의해, 오랜 기간에 걸쳐 높은 작동 서클로 고 강도 레이저 빔을 제공할 수 있는 레이저 기반 치료 장치가 제공될 수 있다. 접촉 창은 레이저 빔을 목표면으로 전달해야 하고 이에 의해 접촉 창이 목표면에 대해 일반적으로 직접 접촉되거나 그 근처에 배치되는 것이 가능하다. 치료 작업을 수행하고 난 후에, 특히 생체 시료에 대한 작업을 수행할 때, 치료 장치, 특히 접촉 창은 완전히 세정되어야 하며, 특히 살균이 수행되어야 한다. 따라서, 접촉 창은 그러한 화학적 처리에 견뎌야 하고 이에 따라 예컨대 MFA, PFA 또는 FEP와 같은 플루오로중합체로 구현될 수 있다.

본 발명의 목적은 휴대 장치만을 포함하는 치료 장치의 다른 실시예에 의해서도 또한 해결될 수 있는데, 휴대 장치는 에너지 저장 수단을 포함하고, 냉각 유닛은 고체 냉각 장치로서 구현된다. 휴대 장치용으로는, 높은 작동 듀티 서클을 제공해야할 필요가 없거나 혹은 장시간 연속으로 작동할 필요가 없다. 따라서, 고체 레이저에 부착되고 과도한 열을 전달받아 레이저 장치로부터 제거함으로써 장치를 정상적인 작동 파라미터 내로 유지시키는 수동형 냉각 유닛을 구비하면 충분하다. 치료 작동의 반복률이 탁상 유닛 기반 시스템보다 낮기 때문에, 에너지 저장은 리튬 이온 이차 전지와 같은 재충전 가능한 배터리일 수 있다.

광 경로는 고체 레이저로부터 접촉 창까지, 즉 목표면까지 레이저 빔을 안내하는 부품들에 의해 정해진다. 광 경로 내에서의 어떠한 교란도 방출 레이저 광의 품질에 직접 영향을 미치게 되므로, 이 광 경로는 치료 장치의 적절한 작동을 위해 결정적인 부분이다. 따라서, 이 광 경로가 주변 환경에 대해 밀봉되는 것, 특히 먼지와 수분에 대해 밀봉되는 것이 중요하다. 레이저 빔의 파장이 바람직하게는 물 이온의 흡수 피크에 맞춰 튜닝되므로, 광 경로내의 임의의 수분에 의해서 레이저 빔은 상기 수분 상에서 반응하게 되고 이에 따라 광 경로가 가열되어 방출 레이저 강도 출력이 감소된다. 광 경로에 대해 캡슐화된 칸을 이용하고 오링을 밀봉 장치로서 이용하는 것에 의해, 광 경로에 있는 갭이 감소될 수 있거나 혹은 제거될 수 있다. 고체 레이저의 부품들은 부품들 사이에 2㎛ 미만의 공극을 마련하도록 제조된다. 전체 광 경로는 적어도 0.5바의 상대 압력을 견디도록 단단하게 밀봉된다.

또 다른 실시예에 따르면, 적어도 두 개의 고 용량 전류 버퍼와 스위칭 유닛이 휴대 장치 내에 배치된다. 작동 중에, 전류 버퍼는 상당한 시간 동안 전기 에너지로 충전되고, 매우 짧은 기간 동안 방전되어 여기광을 발생시키기 위한 여기원에 에너지를 공급한다. 두 개의 고 전류 버퍼를 휴대 장치에 배치하면, 한 전류 버퍼가 충전되는 동안 다른 버퍼는 여기광을 발생시키도록 사용될 수 있게 된다. 스위칭 유닛은 고 전류 버퍼를 여기원에 또는 충전용 전력 공급 장치에 연결하는 역할을 한다. 이 실시예에 의하면 치료 장치의 작동율이 더 높아지게 된다.

치료 장치의 구성과 작동을 쉽게 하기 위하여, 대 장치가 표시 유닛과 입력 장치를 포함하는 사용자 인터페이스를 포함하면 더욱 유리하다. 따라서, 휴대 장치의 사용자는 휴대 장치 상에 직접 배치된 개별적인 구성 및 조작 제어 가능성을 갖고, 이에 따라 모든 공정 정보와 제어 가능성이 휴대 장치에서 이용가능하므로 치료 과정을 중단하지 않고 치료를 제어하는 능력을 갖는다.

치료 영역이 일반적으로 상당히 좁고 이에 따라 직접 보는 것은 보통 불가능하므로, 휴대 장치가 이미지 획득 및 분석 유닛을 포함하면 유리하다. 이에 의하면 이미지가 수집되고, 처리되어 예컨대 표시 수단에 의해 사용자에게 제공될 수 있게 되며, 그러면 사용자는 목표 영역, 즉 레이저 빔이 목표면에 닿는 부분을 훨씬 더 잘 볼 수 있게 된다. 또 다른 실시예에서는, 입체 이미지가 수집되어 사용자에게 3D 이미지를 제공할 수 있다.

탁상 유닛으로부터 분리될 수 있는 휴대장치는 예컨대 각기 다른 파장에서 작동하는 고체 레이저를 구비한 개개의 휴대 장치가 치료 장치를 구성하기 위해 탁상 유닛과 연결될 수 있는 장점이 있다. 이 실시예는 또한 휴대 장치가 탁상 유닛, 즉 가요성 호스로부터 분리될 수 있고 새로운 또는 다른 휴대 장치가 탁상 유닛, 즉 가요성 호스에 부착될 수 있기 때문에 휴대 장치 내의 고체 레이저 또는 다른 부품들의 교체 또는 유지 보수가 휠씬 간단한 장점이 있다. 의도대로 사용하는 중에, 고체 레이저, 즉 레이저 이득 매질 또는 레이저 다이오드가 손상되거나 그 작동 파라미터들이 열화될 가능성이 있다. 고체 레이저의 튼튼한 구성으로 인해, 휴대 장치를 고체 레이저와 함께 탁상 유닛으로부터 또는 가요성 호스로부터 분리하여 고체 레이저가 표준 발송 절차상의 거친 취급을 견디는 지에 대해 특별히 신경 쓰지 않고 서비스 및 유지 보수 유닛으로 발송할 수 있다. 사용자는 치료 장소에서 이용가능한 두 개의 휴대 장치를 구비할 수 있는데, 하나는 사용 중이고 다른 하나는 제1 장치가 유지보수를 위해 발송되어야 하는 경우의 교체용 부품이다. 이전의 레이저 시스템들에 의하면, 보통 사용을 중단할 필요가 있었고 유지보수 작업을 행해야 하는 기술자가 장소에 와야 했으므로 유지보수는 상당히 어려운 작업이었다.

또 다른 유리한 실시예에 따르면, 투명 커버가 휴대 장치로부터 분리가능함으로써, 치료될 물질과 직접 접촉되는 부분이 장치로부터 제거되어 예컨대 폐기되거나 완전히 세정될 수 있게 된다. 물질을 제거할 때 커버는 제거된 물질로 오염될 가능성이 있고, 다음에 사용하기 전에 완전히 세정되어야 한다. 이는 물질의 확산을 피해야 할 인간의 조직을 치료할 때 특히 중요하다. 따라서 분리가능한 커버는 전체 휴대 장치를 철저하게 세정해야 할 필요성을 감소시키는데, 특히 일회용 커버가 사용될 수 있다.

고체 냉각 유닛에 의해 고체 레이저로부터 과도한 열을 소산시킬 때, 자유 유동 공냉은 적절하지 않은데, 이는 이용가능한 시간 내에 과도한 열을 제거할 수 없기 때문이다. 따라서, 파라핀, 플루오라이드(fluoride), 카보네이트(carbonate), 클로라이드(chloride), 히드록사이드(hydroxide), 나이트레이트(nitrate), 솔트 나이트레이트(salt nitrate), 당 알코올(sugar alcohol), 지방산, 클로레이트(chlorate), 금속(예컨대, 갈륨), 금속 합금, 상술한 금속과 열 전도성을 증가시키는 물질(예컨대, 그라파이트, 중합체, 금속, 반도체, 세라믹, 결정성 물질, 다이아몬드-구리 복합체, 실리콘 카바이드, 흑연성 탄소(graphitic carbon))의 조합과 같은 상 상태 변화 물질이 사용되는데, 이는 예컨대 고체에서 액체로 또는 액체에서 기체로의 물질 상태의 변화가 대량의 열에너지를 흡수하고 저장된 에너지를 장기간에 걸쳐서 대기로 소산시키기 때문이다. 가장 바람직한 것은 가역성 상 상태 변화가 가능한 물질인데, 이는 이러한 물질은 여러 번 사용할 수 있기 때문이다.

당업자는 첨부 도면을 참조함으로써 본 발명을 더 잘 이해할 수 있고 그 장점을 알 수 있을 것이다. 비록 도면에서는 특정 실시예의 특정 세부 사항들을 예시하였지만, 본 명세서 내에 개시된 본 발명은 예시된 실시예에만 한정되지 않는다.

도 1은 일체형 측면 여기식 고체 레이저를 도시한 다이어그램이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 레이저 이득 매질의 단부 면들의 실시예들을 도시한 도면들이다.
도 1d와 도 1e는 큐 스위치를 포함하는 레이저 공동들의 실시예들을 도시한 도면들이다.
도 2는 직접 여기광 인커플링(incoupling)을 갖는 대칭 냉각형 고체 레이저를 도시한 도면이다.
도 2a는 직접 여기광 인커플링을 갖는 다른 대칭 냉각형 고체 레이저를 도시한 도면이다.
도 3은 간접 여기광 인커플링을 갖는 대칭 냉각형 고체 레이저를 도시한 도면이다.
도 4는 방사 대칭형이고 액체 냉각형인 레이저를 도시한 도면이다.
도 5는 두 개의 여기광을 포함하는 직접 여기광 인커플링(incoupling)을 갖는 대칭 냉각형 고체 레이저를 도시한 도면이다.
도 6은 레이저 봉을 히트 싱크에 배치한 일례를 도시한 횡단면도이다.
도 7은 레이저 봉을 히트 싱크에 배치한 다른 예를 도시한 횡단면도이다.
도 8은 도 2 또는 도 7에 따른 구성의 레이저 빔의 경로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 도 2 또는 도 7에 따른 구성의 레이저 빔의 전체 경로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 방출 레이저 빔의 에너지 밀도를 도시한 도면이다.
도 11a는 평균 광 출력을 다이오드 레이저 또는 반도체 레이저를 통과하는 전류의 함수로서 나타낸 도면이다.
도 11b는 평균 광 출력을 반복률의 함수로서 나타낸 도면이다.
도 12는 레이저 봉이 액체 냉각되는 경우의 방출 레이저 빔의 에너지 밀도를 도시한 도면이다.
도 13은 다른 방출 레이저 빔의 에너지 밀도를 도시한 도면이다.
도 14는 도 15의 B-B선을 따라 취한 히트 싱크형 측면 여기식 고체 레이저를 도시한 횡단면도이다.
도 15는 도 14에 따른 레이저를 A-A선을 따라 도시한 횡단면도이다.
도 16은 준일체형 측면 여기식 고체 레이저를 도시한 다이어그램이다.
도 17은 여기 반도체 레이저를 구동시키는 전류와 방출 레이저 광의 시간 다이어그램이다.
도 18은 여기 반도체 레이저를 구동시키는 전류와 방출 레이저 광의 다른 시간 다이어그램이다.
도 19는 여기 반도체 레이저를 구동시키는 전류와 레이저를 연속파 모드로 작동시키는 방출 레이저 광의 또 다른 시간 다이어그램이다.
도 20은 파장의 함수에서의 Er:YAG 재료의 흡수 계수를 도시한 도면이다.
도 21은 일체형 고체 레이저와 그 뒤에 있는 렌즈들을 도시한 도면이다.
도 22는 일체형 고체 레이저와 그 뒤에 있는 섬유를 도시한 도면이다.

이하, 첨부 도면에 예시적으로 도시된 본 발명의 특정 실시예들을 상세하게 설명한다. 가능하면 동일하거나 유사한 참조 부호들이 도면과 상세한 설명에서 동일하거나 유사한 부분들을 지칭하는 데 사용된다. 도면들은 간략하게 도시되어 있고 정확한 축척대로 도시되지 않았다는 점에 유의해야 한다. 본 명세서에서 개시된 내용과 관련해서는, 설명의 편의와 명료함을 위해 상부(top), 저부(bottom), 좌(left), 우(right), 위로(up), 아래로(down), 위에(over), 상부에(above), 하부에(below), 아래에(beneath), 후방(rear) 및 전방(front)과 같은 방향을 가리키는 용어들은 첨부 도면에 대해 사용된다. 이러한 방향을 가리키는 용어들을 어떤 식으로도 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석해서는 안 된다.

전도성 냉각기 또는 냉각 수단은 열에너지 운반 매체(예컨대, 액상 물질, 기상 물질, 고상 물질), 열 분산기(예컨대, 구리, 금, 알루미늄 등 또는 그 합금과 같은 물질; 베릴륨 옥사이드, 알루미늄 나이트라이드, 알루미늄 옥사이드, 지르코늄 옥사이드 등과 같은 세라믹; 다이아몬드, 사파이어, 실리콘 카바이드와 같은 물질) 또는 열에너지 저장 버퍼 요소를 포함하는 것을 의미하지만 이에 한정되지는 않는다. 액상 열에너지 운반 매체는 특히 여기광에 대해 적어도 부분적으로 투명한 순환액, 유동액 또는 스탠딩액(standing liquid)일 수 있다. 액상 열에너지 운반 매체는 예를 들어 물, 물-글리콜 혼합물, 에탄올 또는 솔베이 솔렉시스 갈덴(Solvay Solexis Galden)^TM HT200과 같은 다른 열전달 유체일 수 있다. 갈덴^TM은 솔베이 솔렉시스사의 상표이다. 다른 유형의 전도성 냉각기는, 열 전도성 액체일 수 있는데, 이는 예를 들어 갈륨, 그 액체 금속 합금 또는 그 혼합물과 같은 액상 금속 및 액상 금속 합금 또는 예를 들어 독일의 게라덤(Geratherm)에서 판매하고 순수 갈륨보다 부식이 덜 되는 갈린스탄(galinstan)^TM이라는 액상 금속 합금이다. 또 다른 유형의 도전성 냉각기는 그라파이트, 인듐 또는 다른 금속으로 만들어진 열 전도성 호일일 수 있는데, 이 열전도성 호일은 결정을 냉각기에 납땜하는 데에도 사용될 수 있다.

본 발명의 명세서에서, 반사기라는 용어는 광을 전반사시키거나, 부분 반사시키거나, 확산 반사시키거나 혹은 후방 산란시키는 표면을 포함하는 것을 의미하지만 이에 한정되지는 않는다. 전반사 표면은 예컨대 금, 은, 알루미늄, 백금 또는 유전체 코팅으로 코팅된 광택 있는 금속(polished metal)일 수 있다. 다른 전반사 표면은 광학 레이저 미러와 유사한 유전체 코팅으로 코팅된 결정성 물질로 만들어질 수 있다. 부분 반사기 또는 확산 반사기는, 예컨대 광을 후방으로 직접 반사시키기보다는 광을 후방으로 산란시키는 샌드 블라스트 금 코팅 금속면(sand blasted gold coated metal surface)과 같은, 광을 확산시키고 반사시킬 수 있는 여기광에 대해 부분적으로 투명한 물질 또는 거친 표면일 수 있다. 다른 유형의 반사기는 광을 부분적으로 흡수하지만 광의 대부분은 반사보다는 산란에 의해 반사시키는 세라믹 물질일 수 있다. 또 다른 유형의 반사기는 스펙트랄론(Spectralon)^TM이라는 플라스틱 물질 종류로 만들어질 수 있다. 또 다른 유형의 반사기는 열 전도성 액체류의 액상 금속 또는 액상 금속 합금일 수 있는데, 그 예로는 예를 들어 갈륨 또는 독일의 게라덤(Geratherm)에서 판매하고 순수 갈륨보다 부식이 덜 되는 갈린스탄(galinstan)^TM이라는 액상 금속 합금을 들 수 있다. 또 다른 유형의 반사기는 인듐 또는 다른 금속으로 만들어진 열 전도성 호일일 수 있는데, 이 열전도성 호일은 결정을 냉각기에 납땜하는 데에도 사용될 수 있다.

본 발명의 명세서에서, 광을 전반사시키거나 부분 반사시키는 미러 또는 레이저 미러는 면 또는 기판을 포함하는 것을 의미하지만 이에 한정되지는 않는다. 이러한 기판은 금속 또는 결정성 물질로 된 광택체(polished piece)일 수 있고, 적어도 부분적으로 반사하는 면은 금속 코팅(예컨대, 금, 은, 알루미늄, 백금으로 됨) 또는 유전체 코팅으로 이루어진다. 적어도 부분적으로 반사하는 면을 구비한 다른 레이저 미러는 유전체 코팅으로 코팅된 결정성 물질로 된 기판으로 만들어질 수 있다. 그러면 기판은 레이저 결정에 확산 접합될 수 있고, 이는 원자 수준의, 일반적으로 분리가 불가능한 부품 접합 기법 또는 부품 결합 기법의 일종이다.

일반적으로 고반사 미러가 광을 100% 반사하지 못하기 때문에, 레이저의 고반사 미러 측에서도 항상 레이저 출력이 이루어진다. 반사율이 작을수록 고반사측의 레이저 출력은 높다. 레이저와 부분 고 반사기의 특별한 조합에 의해 양 측에서 거의 동일한 출력을 갖는 레이저 시스템이 이루어질 수 있다.

레이저 미러는 또한 금속성 또는 유전체 코팅으로 레이저 활성화 물질 위에 직접 만들어질 수도 있다. 이러한 레이저 미러는 레이저 활성화 물질의 소기의 방출 파장을 적어도 부분적으로 반사한다. 레이저 미러는 반사율이 약 99% 이상이면 고반사기(HR: high reflector)라 한다. 반사율이 99% 이하이거나 혹은 반대로 레이저 광의 1% 이상이 공동 내에 남으면 이 레이저 미러는 출력 커플러(OC: output coupler)라 한다. 광 코팅, 특히 유전체 코팅이 물리적 기상 증착(PVD) 또는 화학적 기상 증착(CVD) 기법에 의해 다수의 층으로 증착된다. 특히 PVD가 광 코팅층 용으로 널리 사용되지만, 전자 빔 스퍼터링(EBS: electron beam sputtering) 또는 전자빔 코팅(EBC: electron beam coating), 마그네트론 스퍼터링, 이온 빔 스퍼터링(IBS: ion beam sputtering), 이온 보조 플레이팅(IAP: ion assisted plating), 이온 플레이팅(IP: ion plating) 또는 반응성 저 전압 이온 플레이팅(RLVIP: reactive low voltage ion plating), 분자 빔 에피택시(MBE: molecular beam epitaxy), 유기 금속 화학 증착(MOCVD: metal organic CVD), 유기 금속 기상 에피택시(MOVPE: metal organic vapor phase epitaxy) 및 기타 다수의 기술들 간에는 차이가 있다. 코팅은 1700 내지 3200nm 파장의 레이저 광을 잘 흡수하는 물질(예컨대, OH 결합)을 함유하지 않을 수 있다. 미러를 손상시키는 다른 원인은 그러한 미러의 층들에서의 레이저 광의 흡수이다. 따라서, 예컨대 TiO₂, Ta₂O₂, HfO₂, Nb₂O₅, Al₂O₃, SiO₂와 같은, 희망하는 파장 범위에서 흡수성이 낮은 층 물질을 사용하는 것이 유리하다. 구체적인 적용을 위해서, 예컨대 Si 및 SiO₂, 토륨 플루오라이드(thorium fluoride) 및 셀렌화 아연(zink selenide), 또는 하나의 코팅에서의 각기 다른 몇몇 물질들의 조합과 같은 금속 및/또는 금속 산화물 조합으로 이루어진 코팅을 사용하는 것이 유리하다. 일례로, 흡수율이 매우 낮은 물질들의 조합이 광 출력이 가장 높은 미러의 부분 용으로 사용될 수 있지만, 어떤 경우에는 이들 물질들은 층들의 수, 즉 반사율이 제한된다. 반사율을 더욱 증가시키기 위해, 광 출력이 이미 감소된 상부에 다수의 층, 즉 높은 반사율로 성장할 수 있지만 약간의 흡수율을 갖는 물질 조합이 부가될 수 있다. 그러한 물질들의 조합에 의해서 예컨대, 매우 높은 손상 역치와 매우 높은 반사율을 갖는 미러를 제조할 수 있게 된다. 바람직하게는, 그러한 층 물질은 층 당 2% 미만, 특히 층 당 0.5% 미만, 가장 바람직하게는 층 당 0.1% 미만의 흡수율을 갖는다. 따라서, 코팅은 1700 내지 3200nm 파장의 레이저 광을 잘 흡수하는 물질로 만들어지지 않을 수 있다. 코팅 공정들 간의 주된 차이점은 증착 에너지이다. 증착된 물질이 낮은 에너지를 갖는 경우, 적어도 한 코팅 층이 미세공동(microvoid) 또는 미세기공(micropore)을 포함할 수 있다. 공동들로 인해서 충전 밀도(층의 고체의 부피의 층의 전체 부피에 대한 비)가 낮아져 저밀도 층(less dense layer)이 형성된다. 저밀도층의 일반적인 층 충전 밀도는 0.75 내지 0.9의 범위이다. 저밀도 층은 환경적으로 덜 안정적이고, 층이 수분에 노출되면 미세공동은 결국 물로 채워지게 된다. 중적외선 레이저 파장은 물에 강하게 흡수되고, 이에 따라 미세공동 내의 물이 기화되어 층을, 즉 레이저 미러를 손상시킬 수 있다. 이에 따라, 바람직하게는 충전 밀도가 0.09 이상이거나 혹은 심지어는 0.99 이상인 레이저 미러들만이 중적외선 범위의 레이저 시스템에 사용되어야 한다. 이러한 고밀도 층은 코팅 층을 증착시키는 데에 IBS, IAP 기법을 이용함으로써 달성될 수 있다. 가장 바람직한 실시예에서는, 증착된 물질은 에너지가 매우 높아 충전 밀도가 1.05 또는 1.10 이상이 된다. 이와 같은, 과밀도 층이라고도 하는 초고밀도 층은 코팅 층을 증착시키는 데 IP, RLVIP 또는 MBE 기법을 이용함으로써 달성될 수 있다.

본 명세서에서, 고밀도 층은 충전 밀도가 0.9 이상, 바람직하게는 0.95 이상 그리고 더 바람직하게는 0.99 이상인 층을 말한다. 가장 바람직하게는, 고밀도 층은 충전 밀도가 1.05 또는 1.1이다.

본 발명의 명세서에서, 반도체 레이저 또는 다이오드 레이저 또는 레이저 다이오드는 레이저 다이오드, 레이저 다이오드 어레이, 수직 공진 표면 발광 레이저(VCSEL: vertical cavity surface emitting laser), 수직 외부 공진 표면 발광 레이저(VECSEL: vertical external cavity surface emitting laser), 납염 레이저(lead salt laser), 양자점 레이저(quantum dot laser), 양자 우물 레이저(quantum well laser), 양자 폭포 레이저(quantum cascade laser), 반도체 링 레이저, 하이브리드 실리콘 레이저를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.

본 발명의 명세서에서, "저 이득 물질" 또는 "저 이득 레이저 활성 물질"이란 용어는 유도 방출 단면적이 Er:YAG의 유도 방출 단면적과 같거나 작은, 즉 3.0 x 10^-20cm² 이하인 이득 물질/레이저 활성 물질/레이저 활성 매질/레이저 이득 매질을 말한다. 예를 들면,

- Er:YAG(에르븀 도핑 YAG 레이저 결정 호스트(Erbium doped YAG laser crystal host)): 2.6 내지 3.0 x 10^-20cm²

- Er:YSGG(에르븀 도핑 YSGG 레이저 결정 호스트): 6.5 x 10^-21cm²

- Er:YLF(에르븀 도핑 YLF 레이저 결정 호스트): 12.5 x 10^-21cm²

- Cr,Er:YSGG(크롬-에르븀 도핑 YSGG): 5.2 x 10^-21cm²

- Ho:YAG(홀뮴 도핑 YAG 레이저 결정 호스트): 1.2 x 10^-20cm²

- Ho:YLF(홀뮴 도핑 YLF 레이저 결정 호스트): 1.47 x 10^-20cm²

- CTH:YAG 또는 Cr:Tm:Ho:YAG(크롬-툴륨-홀뮴 도핑 YAG 레이저 결정 호스트): 7 x 10^-21cm²

- Ho:Tm:Er:YLF(홀뮴-툴륨-에르븀 도핑 YLF 레이저 결정 호스트): 1.8 x 10^-21cm²

- Tm:YAG(툴륨 도핑 YAG 레이저 결정 호스트): 1.5 내지 2.5 x 10^-21cm²

- Tm:YAP(툴륨 도핑 YAP 레이저 결정 호스트): 5.0 내지 6.0 x 10^-21cm²

- Ho:Tm:YAG(홀뮴-툴륨 도핑 YAG 레이저 결정 호스트): 9 x 10^-21cm²

- Tm:Ho:YLF(홀뮴-툴륨 도핑 YLF 레이저 결정 호스트): 5 x 10^-21cm²를 들 수 있는 데, 이에 한정되지는 않는다.

레이저 결정 호스트로 적당한 물질은 예컨대,

- YAG(이트륨 알루미늄 가넷(garnet))

- YSAG(이트륨 스칸듐 알루미늄 가넷)

- YSGG(이트륨 스칸듐 갈륨 가넷)

- YGG (이트륨 갈륨 가넷)

- GdVO(가돌리늄 바나데이트)

- GGG(가돌리늄 갈륨 가넷)

- GSAG(가돌리늄 스칸듐 알루미늄 가넷)

- GSGG(가돌리늄 스칸듐 갈륨 가넷)

- LLGG(란타늄 루테늄 갈륨 가넷)

- YAP(이트륨 알루미늄 페로브스카이트(perovskite))

- YLF(이트륨 리튬 플루오라이드)

- BYF(바륨 이트륨 플루오라이드) 및

- YAG, Lu₂O₃, Sc₂O₃ 및 Y₂O₃ 등의 세라믹 호스트 결정이다.

도 1은 본 발명의 실시예로 사용되는 일체형 측면 여기식 고체 레이저(1)를 도시한다. 기본적인 레이저 구조는 의도적으로 간략하게 도시하였다. 레이저(1)는 레이저 이득 매질(2), 바람직하게는 Er:YAG를 포함한다. 레이저 공진기(3)는 일체형 블록 구조물의 단부면(4)들로 형성되고, 이득 매질(2)에 직접 증착된 고반사기(HR) 레이저 미러(4a)와 이득 매질(2)의 반대쪽 단부에 직접 증착된 출력 커플러(OC) 레이저 미러(4b)를 구비한다. 출력 커플러(4b)는 가장 바람직하게는 반사율이 92.5 내지 99% 범위인데, 이는 레이저 광의 1 내지 7.5%가 출력 커플러(4b)를 통과하여 이득 매질(2)을 빠져나간다는 것을 의미한다.

이득 매질(2)은 여기면(2a)에서 여기원(5)에 의해 측면 여기된다. 여기원(5)은 광 빔(5a)을 방출하는 적어도 하나의 반도체 레이저, 바람직하게는 다이오드 레이저 어레이를 포함한다. 레이저 공진기(3)는 직경이 3mm 이하이고, 이에 따라 단면적이 약 7.5mm² 미만이다.

도 1에 도시된 측면 여기식 고체 레이저(1)는 단부면들이 광축(L)과의 90°에 대해 0.05° 이하의 각편차로 광축(L)과 직교하는 것을 의미하는, 평면-평면(flat-flat) 공진기라고도 하는 플라노-플라노(plano-plano) 공진기이고, 고반사율 레이저 미러(4a)와 부분적으로는 투과식인 아웃커플링(outcoupling) 레이저 미러(4b)를 포함하는데, 아웃커플링 레이저 미러(4b)는 투과율이 1 내지 7.5%이다. 특정 용도를 위해서는, 큐 스위칭용 전기 광학 셀이나 음향-광학 셀 또는 파장 튜닝용 에탈론(etalon)과 같은 공동내 요소(intracavity element)(11)들이 레이저 봉과 레이저 미러 사이에 도입될 수 있다. 포화성 흡수체 또는 블리칭 흡수체(bleachable absorber) 또는 반도체 포화성 흡수체 미러(SESAM: semiconductor saturable absorber mirror)도 큐 스위칭용으로 적합할 수 있다. 포화성 흡수체는 투과 요소 또는 반사 요소로 작용할 수 있다. 포화성 흡수체는 본 명세서에서 언급한 호스트 물질들 중 하나로 만들어질 수 있고, 예를 들어 희토류 원소로 도핑될 수 있다. 또한, 포화성 흡수체는 레이저 활성 이득 물질에 직접 확산 접합될 수 있다. 레이저(1)는 예를 들어 다음 작동 모드들, 즉 스위칭된 이득이 여기 다이오드 레이저의 준연속파(quasi-continuous wave) 작동에 의해 얻어지는 연속파 모드와 여기 변조를 의미하는 펄스 모드 중 하나로 에너지를 방출할 수 있다. 도 1에는 평평한 반사 레이저 미러(4a)와 아웃커플링 레이저 미러(4b)로 덮인 평평한 단부면(4)들을 갖는 이득 매질(2)이 도시되어 있다. 추가의 유리한 실시예에서는, 적어도 하나의 단부면(4)이 매우 적은 비대칭 문제 또는 열 렌즈 문제를 보상하도록 볼록 형상, 오목 형상, 비구면 볼록 형상 또는 비구면 오목 형상을 구비할 수 있거나 혹은 심지어 광축(L)(레이저 출력축)에 대해 89.7 내지 90.3°의 각도를 갖는, 쐐기라고도 하는, 평평한 표면을 구비할 수도 있고, 이에 따라 단부면(4)에 직접 증착된 반사 레이저 미러(4a)와 아웃커플링 레이저 미러(4b)는 각각의 단부면(4)의 형상을 취할 수 있다. 레이저 공진기(3)의 양 단부에 있는 이러한 레이저 미러(4a, 4b)들로 인해 빔의 형상화가 이루어질 수 있거나 혹은 열 렌즈의 조정이 이루어질 수 있게 된다. 매우 짧은 레이저 공동들로 인해, 볼록 단부면 또는 오목 단부면을 사용하려면 레이저 이득 물질을 제조함에 있어서 높은 정밀도가 요구된다. 이러한 만곡된 단부면과 관련한 중요한 특성 중 하나는 광축(L)에 대한 각 구심성이 3분 이하일 필요가 있다는 것이다. 가장 바람직하게는, 레이저 이득 매질(2)은 저 이득 레이저 활성 물질로 이루어진다.

또한, 도 1에 도시된 고체 레이저(1)는 공동 외부에 위치된 큐 스위치를 포함할 수 있다. 이 큐 스위치는, 블리칭(예컨대, 포화성 흡수체 또는 SESAM)으로 인해 큐 스위치가 스위칭 되거나 혹은 제어 수단에 의해 능동적으로 활성화되고/비활성화되어 반사율이 아웃커플링된 광의 전반사에서 아웃커플링된 광의 전투과로 바뀔 때까지 공동내 레이저 출력을 증가시키는 추가 반사면으로 작용하는 출력 커플러 상에 위치될 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 고체 레이저(1)는 상세하게 도시되지는 않은 냉각 장치를 포함한다. 냉각 장치의 예들은 예를 들어 도 2 내지 도 7에 도시되어 있다.

도 1에 도시된 실시예는 원형 레이저 이득 매질의 직경이 3mm 이하로 작다는 점, 즉 단면적이 약 7.5mm² 미만이라는 점으로 인해 여기원(5)의 여기광(5a)의 강도가 다소 균일하게 높을 수 있고 이에 따라 레이저 이득 매질(2) 내에서 균일하게 높은 강도의 레이저 광이 발생되는 장점이 있다. 또한, 92.5 내지 99% 범위에 있는 출력 커플러(4a)의 비교적 높은 반사율로 인해 고강도의 출력 레이저 빔(B)이 효율적으로 발생되게 된다. 또한, 양 단부면(4)이 반사 코팅(4a, 4b)을 구비함으로써 단부면(4)들에서의 레이저 광의 손실이 감소되는데, 이 또한 레이저 빔(B)이 높은 강도를 갖는데 기여한다. 모든 방안들을 조합함으로써, 1 내지 10⁸W/mm² 범위의 강도로 집속될 수 있는 고품질의 레이저 빔을 방출할 수 있는 다이오드 측면 여기식 고체 레이저를 만들 수 있게 된다. 이에 따라 본 발명에 따른 고체 레이저(1)는 높은 효율을 나타내고, 결국 여기원(5)의 중간 정도의 여기 출력은 소기의 출력과 품질을 갖는 레이저 빔(B)을 생성하는 데 충분하다.

도 1에서, 레이저 이득 매질(2)의 단면은 원형 형상이다. 레이저 이득 매질(2)의 단면은, 예컨대 사각형, 삼각형, 다각형 또는 정사각형과 같은 다른 형상일 수도 있다.

도 1a는 레이저 이득 매질(2)을 상세하게 도시하고 있으며, 또한 단부면(4)에 접합되어 고반사 레이저 미러(4a)를 형성하는 광택성 금속 블록 또는 면(4c)으로 덮인 우측부 상의 단부면(4)을 도시하고 있다. 좌측 단부면(4)은 금속 층 또는 반도체 층과 같은 기판(4d)으로 코팅되어 출력 커플러 레이저 미러(4b)를 형성한다.

도 1b는 레이저 미러(4a, 4b)들을 구비한 레이저 이득 매질(2)의 다른 실시예를 상세하게 도시하는데, 레이저 미러(4a, 4b)들은 금속 층 또는 반도체 층과 같은 기판(4d)으로 코팅된 결정성 구조물(4e)을 포함한다. 결정성 구조물(4e)은 단부면(4)들에 접합된다. 결정성 구조물(4e)은 레이저 발진 동작 안정성(lasing stability)을 증가시키고 열 렌즈 효과를 감소시키는 응력 저감 요소로 작용하여 넓은 작동 범위에 걸쳐서 레이저 안정성을 높이는 데 기여한다. 결정성 구조물(4e)은 또한 결정에 직접 증착되고 종종 열적 과부하를 통해 손상되는 광 코팅보다 더 안정적인 광코팅을 형성하는 데 기여한다.

도 1c는 단부면(4)들에 코팅된 금속 층 또는 반도체 층과 같은 기판(4d)으로 이루어진 레이저 미러(4a, 4b)들을 구비한 레이저 이득 매질(2)의 다른 실시예를 상세하게 도시한다. 이러한 레이저 미러(4a, 4b)들은 레이저 이득 매질(2)의 단부면(4)에 부착되고, 이에 의해 고반사 미러(4b) 또는 레이저 광(B)을 적어도 부분적으로 반사시키는 레이저 미러(4a)를 형성한다.

도 1d는 큐 스위치 또는 포화성 흡수체(11)를 포함하는 실시예를 도시한다. 도 1e는 큐 스위치 또는 포화성 흡수체(11)를 포함하는 다른 실시예를 도시한다. 도 1d와 도 1e에 따른 실시예들에서는, 큐 스위치(11)는 또한 레이저 활성 매질(2)과 출력 커플러(OC) 사이에 배치될 수 있다. 당연히, 도 1 내지 도 1e에 도시된 실시예들을 조합하는 것도 가능하다.

도 2는 전도성 냉각기(6)와 열 전도가능하게 연결된 레이저 결정 또는 이득 매질(2)을 포함하는 일체형 측면 여기식 고체 레이저(1)의 유리한 실시예를 도시한다. 전도성 냉각기(6)는 또한 이득 매질(2)을 유지한다. 여기원(5)은 이득 매질(2)의 측부에 배치된다. 반사기(7)는 여기원(5)의 반대측에 배치된다. 반사기(7)에 추가하여, 전도성 냉각기 표면(6c)들도 예를 들어 적절한 코팅에 의해서 반사 특성을 포함할 수 있고, 이에 따라 냉각기 표면(6c)들도 반사기로서 사용될 수 있다. 여기원(5)의 여기광(5a)은 일 측면(2a)에서 이득 매질(2)로 들어가고, 반대측 측면(2b)에서 이득 매질(2)로부터 나온다. 이득 매질(2) 내에서의 레이저 빔(5a)의 흡수에 따라, 이득 매질(2) 내부에서 흡수되지 않은 레이저 빔(5a)의 부분을 의미하는 출거 빔(5b)이 이득 매질(2)을 빠져나오고, 이에 의해 흡수되지 않은/남은 여기광(5b)이 반사기(7)에 부딪히고 적어도 부분적으로 반사되어 반사 레이저 빔(5c)을 발생시키는데, 이 반사 레이저 빔은 이득 매질(2)로 들어간다. 이득 매질(2)과 다이오드 레이저인 여기원(5)의 광학적 특성에 따라, 레이저 빔(5f)이 이득 매질(2)을 평행한 방향 또는 다른 방향으로 통과할 수 있다. 도 2는 레이저 빔(5a)의 레이저 결정(2)에의 직접 여기광 인커플링을 도시한다. 레이저 다이오드(5)에서 방출된 여기광은 슬릿(6e)을 통해 결정(2)으로 안내된다. 또한, 슬릿(6e)은 예컨대 YAG 또는 사파이어와 같은 여기광에 대해 투명한 물질로 채워질 수 있고, 이에 따라 결국 고체 레이저를 추가로 안정시키는 더욱 균일하고 대칭적인 열전달을 촉진한다. 또한, 상기 투명 물질은 여기광용 광 도파로로서 구성되어 레이저 결정 내부의 여기광 분포를 더욱 개선시킨다. 이 실시예에서는 레이저 결정(2)이 냉각기(6)에 대칭적으로 배치되고 유지되는 대칭 냉각형 고체 레이저 이득 매질(2)을 개시한다. 가장 바람직한 실시예에서는, 일체형 측면 여기식 고체 레이저(1)는 종축(L)을 갖는 레이저 이득 매질(2)을 포함하는 레이저 공진기 복합 구조물(3)을 포함하는데, 레이저는 레이저 이득 매질(2)과 접촉하는 접촉면(6c)들을 포함하는 전도성 냉각기(6)를 포함하고, 이에 의해 접촉면(6c)들은 가장 바람직하게는 레이저 이득 매질(2)의 종축(L)에 대해 대칭으로 배치된다. 가장 바람직하게는, 이 실시예에 의하면, 레이저 이득 매질(2)의 냉각은 종축(L)에 대한 대칭 냉각이 이루어지도록 행해진다. 전도성 냉각기(6)의 한 가지 목적은 레이저 이득 매질(2)로부터 발생된 열을 도시하지 않은 히트 싱크로 전달하는 것이다. 히트 싱크는 예를 들어 전도성 냉각기(6)의 외부면일 수 있다. 또한, 전도성 냉각기(6)는 열전 냉각기 및/또는 강제 공랭식 히트 싱크 또는 열전 냉각기 및/또는 수냉 시스템과 같은 추가 냉각기와 연결될 수도 있다. 전도성 냉각기(6)는 열을 전달하는 데 적합한 물질로 이루어지는데, 가장 바람직하게는 전도성 냉각기(6)는 구리와 같은 금속 또는 세라믹 또는 결정 물질 또는 반사기에 적합한 것으로 알려진 다른 물질로 만들어진다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전도성 냉각기(6)는, 레이저 이득 매질(2) 옆에 배치되고 측면(2a)의 반대측에 배치된 냉각기 공동(6d)을 포함한다. 여기광(5a)은 측면(2a)을 통과하여 레이저 이득 매질(2)로 들어간다. 반사기(7)는 냉각기 공동(6d)에 배치되고, 이는 또한 반사기(7)가 냉각기 공동(6d)의 적어도 한 측벽의 반사면일 수 있다는 것을 의미하고, 이에 의해 측벽도 또한 반사 코팅으로 코팅될 수 있다. 방열 히트 싱크 페이스트, 또는 갈륨과 같은 액체 금속, 또는 하나 이상의 고체 금속 입자를 포함하는 액체 금속의 혼합물을 이득 매질(2)과 전도성 냉각기(6) 사이에 열 화합물을 도포하는 것에 의해 이득 매질(2)로부터 전도성 냉각기(6)로의 열전달을 개선시키기 위한 추가적인 방안들이 취해질 수 있다.

대칭 열전달은 넓은 범위의 여기광(5a) 출력에 걸쳐서 작동하는 일체형 레이저 공진기 구조물(3)에 대해서는 필수적이다. 접촉면(6c)으로 대체되는 공간(6d)을 갖는 레이저 결정(2)은 여기광(5a)의 출력이 높으면 불안정해지고, 레이저 공진기 구조물(3)은 레이저 방사선을 발생시키는 것을 중지한다. 도 2에 도시된 실시예에서의 대칭 열전달로 인해 대칭 열 렌즈가 형성되고, 이 대칭 열 렌즈는 레이저 공진기 구조물(3)을 불안정화시키지 않고 넓은 범위의 여기광(5a) 출력에 걸쳐서 레이저 방사선을 발생시킬 수 있게 한다. 또한, 각이 진 단부면(4)들로 비대칭 열전달, 즉 열 렌즈를 보상할 수도 있지만, 이는 레이저 공진기 구조물의 효율적인 작동을 단 하나의 특정 여기광(5a) 출력으로 제한한다.

도 2a는 전도성 냉각기(6)와 열 전도가능하게 연결된 레이저 결정 또는 이득 매질(2)을 포함하는 일체형 측면 여기식 고체 레이저(1)의 다른 유리한 실시예를 도시한다. 레이저(1)는 종축(L)에 대해 측면(2a)의 반대측에 배치된 반사기(7)를 포함하고, 반사기(7)는 레이저 이득 매질(2) 바로 옆에 배치되거나 혹은 반사기(7)는 레이저 이득 매질(2) 바로 위에 배치된다.

도 3은 전도성 냉각기(6)와 열 전도가능하게 연결된 레이저 결정 또는 이득 매질(2)을 포함하는 일체형 측면 여기식 고체 레이저(1)의 또 다른 실시예를 도시한다. 여기원(5)은 이득 매질(2)의 측부에 배치된다. 도 2에 따른 실시예와 달리, 도 3에 따른 실시예는 레이저 빔(5a)의 레이저 결정(2)으로의 간접 여기광 인커플링을 개시하고 있는데, 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 빔(5a)의 적어도 일부가 이득 매질(2)로 들어가기 전에 냉각기(6)의 내부면(6i)에서 반사된다. 내부면(6i)은 레이저 다이오드(5)에서부터 레이저 이득 매질(2)까지 이어지는 냉각기(6)의 간극의 표면이다. 여기광(5)의 경로가 더 길면 여기광(5)의 혼합/확산이 더 잘되고 이득 매질, 즉 결정(2)의 여기가 더욱 균일한 장점이 있다. 또한, 상기 경로는 각기 다른 방출 각을 갖는 각기 다른 다이오드 레이저(5)를 사용하기에 유리한데, 이는 휘도가 높거나 혹은 휘도가 낮은 다이오드 레이저를 사용할 수 있다는 것을 의미한다. 도 3에 도시된 예시적인 실시예는 평면(C)에 대해 대칭이다.

전도성 냉각기(6)의 열 관리와 온도 제어는 가장 유리하게는 열전 냉각도 이용할 수 있는 가능성이 있는 공냉식으로 이루어지지만, 또한 수냉식도 적절할 수 있다.

도 4는 전도성 냉각기(6)와 열 전도가능하게 연결된 레이저 결정 또는 이득 매질(2)을 포함하는 일체형 측면 여기식 고체 레이저(1)의 또 다른 실시예를 도시한다. 이득 매질(2)은 외부 결정면(2c)과 종축(L)에 대해 동심으로 배치된 냉각기(6)의 튜브형 부재(6b) 사이에서 유동하는 유체, 특히 물 또는 물을 함유한 냉각 유체로 종방향(L)으로 둘러싸여 있다. 도시된 실시예에서는, 세 개의 여기원(5)이 이득 매질(2)의 종축(L)에 대해 120°로 이격되어 있고, 이득 매질의 측부를 따라 배치되어 있다. 각각의 여기원(5)의 반대측에 각각 배치된 세 개의 상응하는 반사기(7)는, 여기원(5)의 여기광(5a)이 이득 매질(2)로 들어가고, 측면(2a)의 반대측에서 이득 매질(2)에서 빠져나가는 여기광(5a)의 일부인, 흡수되지 않은/남은 여기광(5b)이 이득 매질(2)에서 빠져나가고, 이에 의해 출거 여기광(5b)이 반사기(7)에 닿아 반사기(7)에 의해 적어도 부분적으로 반사됨으로써 적어도 일부가 이득 매질(2)로 다시 들어가는 반사 출거 여기광(5c)을 형성하도록 배치된다. 도 4는 여기광(5a)의 레이저 활성 매질(2)로의 직접 여기광 인커플링을 도시하는데, 레이저 결정(2)은 냉각기(6)에 대칭적으로 배치되고 유지되며, 냉각기는 레이저 활성 매질(2)에 대해 동심으로 배치된 튜브형 부재(6b)를 포함하고, 외부 튜브형 부재(6b)와 레이저 결정(2)의 표면(2c)은 유체 냉각 매체가 통과해서 유동할 수 있는 용적부를 한정한다. 또한, 냉각기(6)는, 이득 매질(2)을 둘러싸고 바람직하게는 이득 매질(2)과 직접 접촉된 고체 중공 관형 부재로 이루어질 수 있다. 이러한 고체 냉각기(6)는 예를 들어 구리와 같은 금속으로 만들어질 수 있다. 개시된 실시예는 종축(L)에 대해 대칭이고, 이에 의해 요소들, 즉 반사기(7)와 여기원(5)은 각각 120° 각도로 배치되지만, 상기 구성들을 임의의 다른 대칭적인 각도로 분포시키는 것도 유용할 수 있다.

도 5는 도 2에 도시된 실시예와 구성이 유사하지만 종축(L)에 대해 90°로 이격된 두 개의 다이오드 레이저(5)를 포함하는 레이저(1)를 도시한다. 레이저(1)는 레이저 이득 매질(2)과 접촉되는 접촉면(6c)들을 포함하는 전도성 냉각기(6)를 포함하고, 이에 의해 접촉면(6c)들은 레이저 이득 매질(2)의 종축(L)에 대해 대칭으로 배치된다. 또한, 접촉면(6c)들은 반사기로서 그리고 냉각기 공동(6d)의 벽(7, 7a)들로서, 특히 측벽(7a)들로서 사용될 수 있다.

도 6은 도 2에 도시된 실시예와 구성이 유사한 다른 레이저(1)를 도시한다. 레이저(1)는 레이저 이득 매질(2)과 접촉하는 접촉면(6c)을 포함하는 전도성 냉각기(6)를 포함하고, 이에 의해 접촉면(6c)들은 레이저 이득 매질(2)의 종축(L)에 대해 대칭으로 배치된다. 전도성 냉각기(6)는 상부(6h)와 두 개의 하부(6g)를 포함하고, 이에 의해 레이저 이득 매질(2)은 상부(6h)와 두 개의 하부(6g) 사이에서 조여진다. 전도성 냉각기(6)는 다이오드 레이저(5)의 광이 레이저 이득 매질(2)에 들어갈 수 있게 하는 슬릿(6e)을 포함한다. 슬릿(6e)의 반대쪽에서, 전도성 냉각기(6)는 접촉면(6c)들이 레이저 이득 매질(2)의 종축(L)에 대해 대칭으로 배치되도록 냉각기 공동(6d)을 포함한다. 냉각기 공동(6d)은 반사기(7)를 포함하여 레이저 이득 매질(2)에서 나오는 광을 반사시킨다. 또한, 냉각기 공동(6d)의 측벽(7a)들도 반사기로서 사용될 수 있다.

도 7은 도 2에 도시된 실시예와 구성이 유사한 다른 레이저(1)를 도시한다. 레이저(1)는 예를 들어 금속 냉각기(6)와 같은 열 전도성 냉각기(6)와 레이저 이득 매질(2)을 냉각기(6)와 열적으로 연결시키는 열 전도성 물질(6k)을 포함하고, 이에 따라 레이저 다이오드(5)의 광이 레이저 이득 매질(2)로 방출되어 레이저 이득 매질(2)을 가열하면 레이저 이득 매질(2)과 냉각기(6) 사이에 열 유동(6f)이 발생된다. 열 전도성 물질(6k)을 구비한 이득 매질(2)의 접촉면(6c)들은 레이저 이득 매질(2)의 종축(L)에 대해 대칭으로 배치된다.

도 10은 도 7에 도시된 레이저(1)의 레이저 이득 매질(2)에 의해 방출된 레이저 빔(B)의 에너지 분포, 즉 방향(x) 및 방향(y)의 신호 강도를 개략적으로 도시한다. 대칭적인 열 유동(6f)으로 인해 에너지 밀도는 타원형으로 이루어진다. 본 발명에 따른 실시예의 한 가지 장점은, 가장 바람직하게는 레이저 이득 매질(2)의 온도 분포가 도 10에 도시된 에너지 분포와 유사하게 대칭이라는 것이다. 가장 바람직하게는 온도 분포는 레이저 다이오드(5)에 의해 레이저 이득 매질(2)로 입력되는 넓은 범위의 출력에서 대칭으로 또는 거의 대칭으로 유지된다. 이러한 효과는 레이저 이득 매질(2)을 종축(L)에 대해 대칭으로 냉각시키는 것에 의해 달성된다. 이러한 구성으로 인해 레이저의 작동 중의 열수차(thermal aberration)가 감소된다. 본 발명에 따른 기하학적으로 대칭인 냉각 구조에 의해서 일반적으로 렌즈 효과를 발생시키는 보상되지 않은 열 구배, 복굴절에 의해 유도되는 응력 및 다른 광수차들이 방지된다. 본 발명에 따른 레이저(1)는 기하학적으로 대칭인 냉각 구조로 인해 이러한 효과를 나타내지 않는다. 가장 유리하게는, 밀리줄(millijoule) 내지 줄(Joule)의 펄스 에너지 범위(regime)의 고 피크-출력 펄스를 발생시키기 위해서 레이저 이득 매질(2)을 측면 여기시키는 데 고 출력, 준연속파 다이오드 어레이(5)가 사용된다. 레이저 이득 매질(2)은 일반적으로 봉 또는 슬래브(slab) 중 어느 하나이다. 본 발명에 따른 레이저(1)는 넓은 에너지 범위에서 작동될 수 있으며, 작동 중에 열수차가 적다. 이에 따라, 열수차를 보상하기 위한 어떠한 수단도 필요하지 않아, 고 출력 레이저 광을 발생시킬 수 있는 저렴하고 신뢰성 있는 레이저 장치를 얻을 수 있다.

특히 높은 강도, 높은 펄스 에너지 및 높은 펄스 반복률을 달성하는, 고성능으로 작동하는 레이저 장치(1)를 제공하는 또 다른 방안을 도 7 내지 도 9에 도시된 이하의 예시적인 실시예를 가지고 설명한다. 도 7은 냉각기(6)에 배치된 레이저 봉(2)을 포함하는 레이저 장치(1)를 도시한 횡단면도이다. 열 전도성 물질(6k)을 구비한 이득 매질(2)의 접촉면(6c)들은 레이저 이득 매질(2)의 종축(L)에 대해 대칭으로 배치된다. 레이저(1)는 일체형 고체 레이저(1)이고, 레이저 봉(2)의 일 단부면에 있는 레이저 고 반사기(4a)와 레이저 봉(2)의 타 단부면에 있는 출력 커플러(4b)를 구비한, 도 1에 도시된 바와 같은, 레이저 공진기 구조물(3)을 포함한다. 레이저 봉(2)의 물질은 예컨대 Er:YAG를 포함한다. 레이저 봉(2)은 예를 들어 직경이 1mm, 1.4mm 또는 2mm일 수 있다. 다이오드 레이저 어레이(5)는 파장이 760 내지 815nm 또는 955 내지 985nm 범위이다. 도 20은 Er:YAG 물질의 흡수 계수를 파장의 함수로 나타낸다. 다이오드 레이저 어레이(5)의 파장을 레이저 활성 물질(2)의 최대 흡수율에 상응하게 선택하는 것이 공지되어 있다. 본 발명의 한 가지 추가적인 측면은 그러한 파장을 선택하면 다이오드 레이저 어레이(5)의 여기광이 레이저 로드(2)에 의해 많이 흡수되는 단점이 있다는 것을 밝혀낸 것이다. 이에 따라 여기광이 레이저 봉(2)의 측면(2a)에서 이미 흡수되고, 이에 따라 대부분의 전자가 활성화되어야만 하는 레이저 봉(2)으로 적은 양의 여기광만이 들어가게 되는 결과가 나타난다. 이러한 결과를 극복하기 위하여, 레이저 봉(2)에서의 흡수가 감소되도록 레이저 봉(2)의 주 파장(main wavelength)을 선택하는 것을 생각하였다. 도 20에 기초하면, 이는 주 파장이 레이저 이득 매질(2)의 피크 흡수율에 대해 시프트(shift)되도록 다이오드 레이저(5)의 주 파장을 선택하는 것에 의해 달성될 수 있는데, 다이오드 레이저(5)의 주 파장은 레이저 이득 매질(2)의 흡수 계수가 낮거나 혹은 심지어 최소이도록 선택될 수도 있다. 사용되는 저 이득 레이저 활성 물질에 따라, 여기광 흡수율 피크에 대한 선택된 여기광 파장의 편차는 변할 수 있다. 예를 들어, 예컨대 Er:YAG를 사용할 경우 고 흡수 영역의 평균적인 중앙부인 약 964nm인 레이저 이득 매질(2)의 피크 흡수선에 대해 다이오드 레이저(5)의 파장은 15nm까지, 바람직하게는 10nm까지 시프트될 수 있다. 또한, 다이오드 레이저(5)의 여기광은 유리하게는 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이 안내되어, 바람직하게는 다이오드 레이저(5)의 광을 이용한 레이저 이득 매질(2)의 균일한 조사를 달성하게 된다.

여기 레이저 광(5)의 경로가 도 7 및 도 8에 개략적으로 도시되어 있는데, 다이오드 레이저(5)는, 레이저 이득 매질(2)에 들어가서 부분적으로 레이저 이득 매질(2)을 가로지르고 출거 여기광(5b)으로서 레이저 이득 매질(2)을 빠져나가는 여기광(5a)을 방출한다. 여기 반도체 레이저의 파장은 예를 들어 760 내지 985nm 범위이다. 출거 여기광(5b)은 냉각기 공동(6d)의 반사기(7)에서 반사되고, 레이저 이득 매질(2)로 다시 들어가는 반사 여기광(5c)으로서 후방 산란되는데, 이 반사 여기광은 최대한으로는 부분적으로 레이저 이득 매질(2)을 가로지르고 심지어는 반사 출거 여기광(5d)으로서 레이저 이득 매질(2)을 빠져나간다.

예를 들어 다이오드 레이저(5)의 총 방출 에너지의 100%가 레이저 이득 매질(2)에 들어갈 수 있고, 총 방출 에너지의 64%가 레이저 이득 매질(2)에서 흡수될 수 있고, 그리고 총 방출 에너지의 36%가 출거 여기광(5b)으로서 레이저 이득 매질(2)을 빠져나갈 수 있다. 출거 여기광(5b)은 반사기(7)에서 반사되어 총 방출 에너지의 약 36%가 반사 여기광(5c)의 형태로 레이저 이득 매질(2)에 들어가고, 총 방출 에너지의 약 10%가 반사 출거 여기광(5d)으로서 레이저 이득 매질(2)을 빠져나간다.

도 8에 도시된 바와 같이, 다이오드 레이저(5)와 반사기(7)는 가장 바람직하게는 종축(L)과 다이오드 레이저(5)와 반사기(7) 각각 사이의 거리(D1, D2)가 동일하도록 종축(L)에 대해 배치된다. 다시 설명하면, 바람직한 실시예에서는, 여기원(5)과 종축(L) 간의 광 경로의 길이는 종축(L)과 반사기(7) 간의 광 경로의 길이와 동일하거나 거의 동일하다. 도 9는 다이오드 레이저(5)의 광의 경로를 더욱 명확하게 도시하는데, 반사 여기광(5c)의 경로는, 예시적으로, 반사 여기광(5c)이 반사기의 우측에서 레이저 이득 매질(2)에 들어가고 출거 여기광(5d)으로서 레이저 이득 매질(2)을 빠져나가는 것으로 도시되어 있다. 출거 여기광(5b)은 반사기(7)에서 반사되고, 이에 따라 반사 여기광(5c)은 레이저 이득 매질(2)에 다시 들어가며, 반사 여기광(5c)의 일부가 반사 출거 여기광(5d)으로서 레이저 이득 매질(2)을 빠져나간다. 도 8과 도 9에 도시된 여기광의 빔 경로의 한 가지 장점은 바람직하게는 균일하게 혹은 거의 균일하게 조사된다는 것이다. 레이저 이득 매질(2)의 이러한 종류의 조사의 한 가지 장점은 높은 출력 밀도를 달성할 수 있게 되고 바람직하게는 가우스 강도 분포(Gaussian intensity distribution)와 유사한 양호한 빔 프로파일을 또한 달성할 수 있게 된다는 것이다.

가장 바람직한 실시예에서는, 다이오드 레이저(5)를 의미하는 여기원(5)의 파장이, 레이저 이득 매질(2)의 특성에 대해, 여기광(5a)의 30% 내지 70%, 바람직하게는 50% 내지 65%가 레이저 이득 매질(2)에 의해 흡수되고 나머지는 출거 여기광(5b)으로서 레이저 이득 매질(2)을 빠져나가도록 선택된다. 이러한 파장에 의해서 이득 매질(2)이 균일하게 조사되는 것이 보장된다. 가장 바람직하게는 여기원(5)의 파장은 955 내지 985nm 범위로 선택되는데, 여기원(5)의 파장은 사용되는 도핑 물질에 따라 좌우되며, 이에 따라 요구되는 파장으로 방출하는 다이오드 레이저(5)가 제조될 수 있다. 이득 매질(2)이 홀뮴(Holmium) 또는 툴륨(Thulium)을 포함하면, 가장 바람직하게는 여기원(5)의 파장은 760 내지 815nm 범위로 선택된다.

가장 유리하게는 접촉 영역(6c) 및 이에 따른 레이저 이득 매질(2)로부터 냉각기(6)로의 열 유동(6f)은 도 7에 도시된 바와 같이 종축(L)에 대해 대칭이고, 이에 따라 도 7 내지 도 9에 도시된 광 경로(5a, 5b, 5c, 5d)에 의해서는 레이저 이득 매질(2)이 종축(L)을 따른 중앙부에서 가장 뜨거운 결과가 나타난다. 이 실시예는 고 펄스 에너지와 고 출력을 제공할 수 있고 레이저 이득 매질(2)의 예열(warming up)로 인한 온도 효과가 최소인 장점이 있다. 이 실시예는 높은 반복률을 가능하게 하는 추가적인 장점이 있는데, 이는 레이저 이득 매질(2)의 예열로 인한 온도 효과가 작기 때문이고, 또한 레이저 이득 매질(2)의 효율적인 냉각이 이루어지는 효과에 의한 것이다.

도 11은 각기 다른 펄스 반복 주파수들 및 각기 다른 펄스 길이들에 대한 다이오드 레이저(5)를 통과하는 전류의 함수로서, 평균 광 출력인, 레이저 출력을 도시한다. 동일한 구성을 갖는 두 개의 고체 레이저(1)는 100㎲의 펄스 길이로 500Hz에서 작동하는 것으로 도시되었다. 동일한 구성을 갖는 두 개의 고체 레이저(1)는 200㎲의 펄스 길이로는 250Hz에서 작동하는 것으로 도시되었다. 동일한 구성을 갖는 두 개의 고체 레이저(1)는 200㎲의 펄스 길이로는 500Hz에서 작동하는 것으로 도시되었다. 도 11a는 또한 동일한 구성을 갖는 두 개의 고체 레이저가 작은 변화만을 갖는 것을 도시하고 있는데, 이는 동일한 구성을 갖는 본 발명에 따른 고체 레이저의 변화가 작다는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 고체 레이저(1)는 도 11b에 도시된 바와 같이 넓은 반복률에 걸쳐서, 평균 광 출력인, 비교적 높은 레이저 출력을 발생시킨다. 고체 레이저(1)는 도 11b에 도시된 바와 같이 약 100 내지 1000Hz 이상으로 작동될 수 있다.

위에서 설명한 본 방안의 효과는 방향(x) 및 방향(y)의 평면에서의 레이저 빔(B)의 에너지 밀도를 도시한 도 12와 도 13에 개시된 레이저 모드 프로파일에서 알 수 있다. 도 12는 방출된 레이저 빔(B)의 에너지 밀도를 도시하는데, 레이저 봉(2)은 수냉된다. 도 13은 방출된 레이저 빔(B)의 에너지 밀도를 도시하는데, 레이저 봉(2)은 도 2에 따른 장치로 냉각된다. 효율적인 냉각의 효과는 바람직하게는 낮은 반복률과 낮은 열 부하 및 높은 반복률과 높은 열 부하가 레이저 빔(B)의 품질을 왜곡시키지 않는 것이다. 레이저 이득 매질(2)은 가장 바람직하게는 원통 형상 또는 타원통 형상이다. 타원통 형상은 예를 들어 도 2, 도 2a, 도 3 또는 도 5 내지 도 7에 개시된 냉각기(6)와 같은 전도성 냉각기(6)에 의해 발생되는 레이저 빔의 왜곡을 균등화(equalizing)시킬 수 있고 이에 따라 도 12에 개시된 것에 가까운 에너지 밀도를 갖는 레이저 빔(B)을 얻을 수 있는 장점이 있다.

도 7 내지 도 9에 따른 실시예는 Er:YAG 레이저 봉을 포함하는 레이저 결정(2)을 예로 들어 설명하였다. 도 1 내지 도 16에 개시된 모든 실시예들은 도 7 내지 도 9에 도시된 것과 동일하거나 유사한 효과를 얻도록 다른 적당한 물질로 된 레이저 봉을 포함할 수 있다. 가장 바람직하게는 레이저 이득 매질(2)은 Er:YAG, Er:YSGG, Ho:YAG 또는 Ho:Tm:YAG와 같은 저 이득 물질이다.

도 14는 측면 여기식 고체 레이저(1)를 도시한 단면도이다. 레이저(1)는 냉각기(6)의 하부(6g)와 상부(6h) 사이에 고정된 레이저 이득 매질(2)을 포함한다. 또한, 레이저(1)는 기부판(6l)도 포함한다. 다이오드 레이저(5)들의 어레이는 레이저 이득 매질(2)을 여기시키기 위해 레이저 이득 매질(2)을 따라 배치된다. 반도체 레이저(5)들의 어레이는 인쇄 회로 기판과 같은 판(6n) 위에 고정된다. 도 14에 도시된 바와 같이, 레이저 이득 매질(2)은 가장 바람직하게는 냉각기(6) 내에 배치되지 않은 자유 단부(2d)들을 구비하고, 자유 단부(2d)들의 종축(L) 방향 길이는 바람직하게는 약 1mm이다. 자유 단부(2d)들은, 넓은 작동 범위에서 레이저 안정성을 높이는, 레이저 발진 동작 안정성(lasing stability)을 증가시키고 열 렌즈 효과를 감소시키는 응력 저감 요소로 작용한다. 가장 바람직하게는, 도 2, 도 2a, 도 3, 도 5, 도 6 및 도 7에 개시된 모든 실시예들은 도 14에 도시된 바와 같은 그러한 자유 단부(2d)들을 포함하고, 자유 단부들은 바람직하게는 그 길이가 약 1mm이다. 도 15는 봉 형상을 갖고 냉각기(6)의 하부(6g)와 상부(6h) 사이에 고정된 레이저 이득 매질(2)을 도시한, 도 14에 따른 실시예의 A-A선 단면도이다. 여기원(5), 즉 다이오드 레이저 어레이는 레이저 이득 매질(2) 옆에 배치된다.

도 16은 레이저 이득 매질(2), 여기원(5), 출력 커플러(4b) 및 이격된 레이저 고반사기(4a)를 포함하는 레이저 공진기 구조물(3)을 도시한다. 이러한 실시예는 주 매질(2)의 단부면들 중 하나에 배치된 전반사하는 레이저 미러(4a)가 높은 공동내 출력 때문에 너무 뜨거워지게 되는 경우에 필요할 수 있으며, 단부면들 중 한 단부면에 배치된 반사 레이저 미러(4a) 대신에 이격된 반사 레이저 미러(4a)가 사용된다.

도 17은 시간에 따른 여기광(5)(하부 곡선)과 방출 레이저 빔(B)(상부 곡선)을 도시한다. 여기광(5)은 레이저 이득 매질(2)이 레이저 빔(B)을 방출시킬 때까지 레이저 이득 매질(2)을 여기시킨다. 개시된 실시예에서는, 여기광(5)은 레이저 이득 매질(2)이 레이저 빔(B)을 방출하게 되면 바로 정지되고, 이에 따라 1 내지 5㎲ 펄스 길이의 매우 짧은 레이저 펄스들이 발생된다. 더욱 긴 펄스들은 레이저 이득 매질(2)이 더욱 긴 기간 동안 여기되도록 여기광(5)을 제공함으로써 얻을 수 있고, 이에 따라 더욱 긴 펄스의 레이저 빔(B)이 발생된다. 도 18은 더욱 긴 기간에 걸친 시간에 따른 여기광(5)(하부 곡선)과 방출 레이저 빔(B)(상부 곡선)을 도시한다. 여기광(5)은 예를 들어 도 18에 도시된 바와 같이 정기적으로 방출될 수 있고, 이에 따라 레이저 펄스(B)는 정기적으로 방출된다. 도 19는 여기 다이오드(5)를 구동시키는 전류 또는 여기광(5)(하부 곡선) 및 레이저를 연속파 모드로 작동시키는 방출 레이저 광의 또 다른 시간 도표를 도시한다.

도 21은 일체형 고체 레이저(1)를 도시한 측면도인데, 레이저 빔(B)이 목표(10)에 집속되도록 레이저 빔(B)은 렌즈(8a, 8b)들에 의해 퍼지고 집속된다. 도 22는 일체형 고체 레이저(1)를 도시한 측면도인데, 레이저 빔(B)이 광섬유(9)에 집속되도록 레이저 빔(B)은 렌즈(8a, 8b)들에 의해 확산되고 집속된다. 바람직한 실시예에서는 광섬유(9)는 직경이 100 내지 250㎛, 가장 바람직하게는 200㎛ 이하이고, 광섬유(9)로 들어가는 레이저 빔(B)은 바람직한 실시예에서는 직경이 100㎛ 이하이다. 광섬유의 출구에 또는 출구 단부 다음에 추가 렌즈가 배치될 수 있다. 단면적이 7.5mm² 미만인 본 발명에 따른 레이저 이득 매질(2)은 출거 레이저 빔(B)이 100㎛ 이하의 직경으로 집속될 수 있는 장점이 있다. 공지의 레이저 이득 매질(2)은 직경이 3.5mm이거나 그보다 큰데, 이러한 레이저 이득 매질(2)의 레이저 빔(B)은 약 400㎛의 직경으로 집속될 수 있는 문제점이 있고, 이에 따라 고강도의 레이저 빔을 발생시킬 수 없게 된다. 또한, 직경이 300 내지 500㎛ 범위인 광섬유(9)가 필요하였다. 이에 따라, 본 발명에 따른 고체 레이저(1)는 고강도의 레이저 빔(B)이 방출될 수 있고, 빔의 직경이 작기 때문에 예를 들어 직경이 200㎛ 이하인 작은 광섬유(9)가 사용될 수 있는 장점이 있다. 이에 따라, 비교적 고강도의 레이저 빔(B)이 광섬유(9)를 지나간다.

바람직한 실시예에서는, 본 발명에 따른 레이저(1)는 파장이 특히 1700 내지 3200nm이다. 가장 바람직하게는, 약 2950nm의 파장이 사용되는데, 이는 이 파장이 중적외선 범위의 물 흡수 스펙트럼에서의 주된 극대값이기 때문이다. 자외선 영역에 또 다른 물 흡수 피크가 있지만 이 파장은 생체 조직을 치료하거나 제거하기에는 안전하지 않다. 가장 바람직하게는, 이득 매질(2)은 2.73 내지 2.95㎛ 범위의 레이저 광을 발생시키기 위한 에르븀 도핑 결정성 레이저 봉을 포함한다. 레이저 광은 TEM00 모드로 발생될 수 있고 열적 효과를 극복하도록 강하게 집속된다. 균일한 시간적 펄스 패턴을 얻도록 시간적 펄스 폭 제어가 사용될 수 있다. 다이오드 또는 반도체 레이저 광 펌프(5)는 다이오드 어레이를 포함할 수 있고, 다이오드 어레이는 이득 매질을 측면 여기시키도록 광학적으로 정렬될 수 있다.

다이오드 측면 여기식 에르븀 도핑 결정성 레이저 이득 매질(2)은 2.73 내지 2.95㎛ 범위의 파장에서 발광할 수 있다. 여기는 예컨대 955 내지 985nm에서 발광하는 바 또는 어레이로 구성된 인듐갈륨비소(InGaAs) 다이오드 레이저에 의해 이루어질 수 있고, 40W 피크 출력에서 시작할 수 있는 출력 수준에서 연속파 모드 작동 또는 준연속파 모드 작동으로 전달될 수 있다. 최적화된 출력 커플링을 사용하면, 광대광 효율은 적어도 10%일 수 있고 규모(magnitude)는 최대 35%일 수 있다. 본 발명의 실시예들 중 한 실시예는, 레이저의 고에너지 펄스 또는 연속파 작동을 가능하게 하기 위해 열적 효과와 공동내 손실을 최소화하고 여기광의 빔 경로를 최적화시키고자 하는 본 발명의 구성 때문에, 효율 규모가 종래의 것보다 높다.

또 다른 바람직한 실시예에서는, 본 발명에 따른 레이저(1)는 파장이 특히 1675 내지 2100nm이고, 이에 의해 이득 매질(2)은 1.67 내지 2.1㎛ 범위의 레이저 광을 발생시키기 위해 홀뮴 도핑 및/또는 툴륨 도핑 결정성 레이저 봉을 포함한다. 레이저 광은 열적 효과를 극복하도록 TEM00 모드로 발생될 수 있다. 균일한 시간적 펄스 패턴을 얻도록 시간적 펄스 폭 제어가 사용될 수 있다. 다이오드 측면 여기식 홀뮴 도핑 및/또는 툴륨 도핑 결정성 레이저 이득 매질(2)은 1.67 내지 2.1㎛ 파장에서 발광할 수 있다. 여기는 예컨대 760 내지 815nm에서 발광하는 바 또는 어레이로 구성된 알루미늄갈륨비소(AlGaAs) 다이오드 레이저 또는 예컨대 1600 내지 2050nm에서 발광하는 바 또는 어레이로 구성된 갈륨안티몬(GaSb) 다이오드 레이저에 의해 이루어질 수 있고, 20W 피크 출력에서 시작할 수 있는 출력 수준에서 연속파 모드 작동 또는 준연속파 모드 작동으로 전달될 수 있다. 최적화된 출력 커플링을 사용하면, 광대광 효율은 적어도 10%일 수 있고 규모(magnitude)는 최대 85%일 수 있다.

적당한 광학 이득 매질(2)은 다음의 결정들, 즉

Er³ ⁺⁴I1₃ _{/2 →} ⁴I1₅ _/2 전이로 1.73㎛에서 발광하는 Er:LiYF₄(Er:YLF);

Er³ ⁺⁴I₁₁ _{/2 →} ⁴I₁₃ _/2 전이로 2.80㎛에서 발광하는 Er:LiYF₄;

Er³ ⁺⁴I₁₁ _{/2 →} ⁴I₁₃ _/2 전이로 2.79㎛에서 발광하는 Er:Y₃Sc₂GasO₁₂(Er:YSGG);

Er³ ⁺⁴I₁₁ _{/2 →} ⁴I₁₃ _/2 ⁴I₁₃ _/2 전이로 2.8㎛에서 발광하는 Er:Gd₃Sc₂GasO₁₂(Er:GSGG);

Er³ ⁺⁴I₁₁ _{/2 →} ⁴I₁₃ _/2 전이로 2.82에서 발광하는 Er:Gd₃GasO₁₂(Er:GGG);

Er³ ⁺⁴I₁₁ _{/2 →} ⁴I₁₃ _/2 전이로 2.69㎛에서 발광하는 Er,Tm:Y₃Al₅O₁₂(TE:YAG);

Er³ ⁺⁴I₁₁ _{/2 →} ⁴I₁₃ _/2 전이로 2.81㎛에서 발광하는 Er:KYF₄;

Ho³ ⁺⁵I₆ _→ ⁵I₇ 전이로 2.84㎛에서 발광하는 Ho,Yb:KYF₄;

Er³ ⁺⁴I₁₁ _{/2 →} ⁴I₁₃ _/2 전이로 2.94㎛에서 발광하는 Er:Y₃Al₅O₁₂(Er:YAG);

Er³ ⁺⁴I₁₁ _{/2 →} ⁴I₁₃ _/2 전이로 2.71㎛에서 발광하는 Er:Y₃AlO₃(Er:YALO);

Er³ ⁺⁴I₁₁ _{/2 →} ⁴I₁₃ _/2 전이로 2.8㎛에서 발광하는 Er:KGd(WO_4s(Er:KGW);

Er:KY(WO4_s(Er:KYW);

Er³⁺⁴I_11/2→ ⁴I_13/2 전이로 발광하는 Er:Al₃O₃

Er³ ⁺⁴I₁₁ _/2→ ⁴I₁₃ _/2 전이로 2.7㎛에서 발광하는 Er:Lu₃O₃;

Er³ ⁺⁴I₁₁ _/2→ ⁴I₁₃ _/2 전이로 2.75 내지 2.85㎛에서 발광하는 Er:CaF₂;

Er³ ⁺⁴I₁₁ _/2→ ⁴I₁₃ _/2 전이로 2.7㎛에서 발광하는 Cr,Tm,Er:Y₃Al₅O₁₂(CTE:YAG);

Er³ ⁺⁴I₁₁ _/2→ ⁴I₁₃ _/2 전이로 2.8㎛에서 발광하는 Er:BaLu₂F₈;

Er³ ⁺⁴I₁₁ _/2→ ⁴I₁₃ _/2 전이로 2.7㎛에서 발광하는 Er:BaY₂F₈(Er:BYF);

2 내지 3에서 발광하는 Cr:ZnSe.

2080nm, 2097nm 및 2130nm에서 발광하는 CTH:YAG 또는 Cr:Tm:Ho:YAG

2097nm에서 발광하는 Ho:YAG

1850 내지 2075nm에서 발광하는 Ho:YLF

2091 내지 2097nm에서 발광하는 Ho:Tm:YAG

2013nm에서 발광하는 Tm:YAG

2017nm에서 발광하는 Tm:Cr:YAG

1675 내지 2050nm에서 발광하는 Tm:YLF

1965 내지 2020nm에서 발광하는 Tm:YAP

2020nm에서 발광하는 Tm:Lu:YAG를 포함할 수 있다.

측면 다이오드 여기식 에르븀 레이저 및 Tm,Ho,Yb:KYF₄ 레이저의 다른 실시예는, 펄스식으로 작동될 때 펄스 형태(pulse format)가 시간 및 강도에 있어서 매우 반복적이다. 이렇게 수행함으로써, 예를 들어 정확하고 예측가능하게 절단할 수 있게 되고 절단 효율을 개선할 수 있다. 치과 또는 의료 분야에서는, 이러한 특징은 조직의 열 변성에 상응하고 이에 따라 더욱 신속하게 치료할 수 있게 된다.

본 발명은 Er 도핑, Ho 도핑 또는 Tm 도핑 저 이득 레이저 활성 물질에만 한정되지 않으며, Nd:YVO₄, Nd:YAG, Er:Glass 및 기타 물질과 같은 고 이득 레이저 활성 물질도 사용될 수 있다. 고 이득 레이저 활성 물질을 사용하는 경우, 본 발명의 장점은 충격, 진동에 의한 조정불능(disadjustment) 및 열적 효과로 인한 시간에 따른 조정불능에 대한 튼튼함(robustness)이 매우 양호하다는 것이다.

생체 조직과 물의 효과적인 상호 작용으로 인해, 본 발명에 따른 레이저는, 예를 들어 조직 수술, 조직 절제, 조직 제거, 치과 수술, 정형외과 수술, 골 절제 및 연조직 표면화(soft tissue surfacing) 영역에서의 수술 기구로서 유용하다.

도 23은 본 발명에 따른 치료 장치를 도시하는데, 이 휴대 장치(20)는 탁상 유닛(table-top unit)에 부착될 수 있다. 휴대 장치(20)는 본 발명에 따른 고체 레이저(1)를 포함하는데, 이 레이저는 광 경로(22)를 따라 목표면(23)으로 안내되는 레이저 빔(21)을 방출한다. 광 경로(22)는 고체 레이저(1), 예컨대 분산 렌즈로서 삽입된 레이저 출력 커플러, 빔 형성부와 빔 편향부의 두 부분으로 나눌 수 있는 빔 형성 및 편향 유닛(24)을 포함한다. 광 경로(22)는 형성된 레이저 빔(26)이 휴대 장치(20)를 빠져나가고 목표면(23)을 관통하는 접촉 창(25)에서 끝난다. 바람직하게는 이 접촉 창은 특정 파장을 갖는 레이저 빔이 에너지 손실 또는 빔 강도 분포 없이 창을 통과하게 하도록 매우 투명한 창으로 밀봉된다. 또한, 접촉 창(25)은 목표면(23) 상에 특정 구역을 규정하는데, 이 구역에서는 형성된 레이저 빔(26)이 목표면(23)을 관통할 수 있고 이에 따라 목표면 상의 치료 영역을 규정한다. 이 치료 장치(20)가 의료용으로 사용될 수 있고 이에 따라 살아있는 조직과 접촉될 수 있으므로, 각각의 치료 단계 사이에 접촉 창의 세정 및/또는 멸균이 필요하다. 이에 따라 접촉 창(25)의 커버(27)는 어그레시브 세정 매체(aggressive cleaning media)를 견딜 수 있어야 하고, 또한 커버(27)는 휴대 장치(20)에서 분리되어 별도로 세정되거나 폐기될 수 있고, 각각의 치료에 대해 새 커버(27)가 부착될 수 있어야 한다. 커버(27)는 사용자가 커버를 건드리지 않고 부착 및 분리할 수 있게 함으로서 많은 무균성(sterility)을 제공할 수 있게 하는 스냅식 장치(snap-on like device)일 수 있다.

고체 레이저(1)의 작동 중에, 폐열이 발생되는데, 이 폐열은 레이저를 작동가능하게 유지하기 위해서 고체 레이저(1)에서 제거되어야 한다. 이에 따라 냉각 유닛(29)이 고체 레이저(1) 상에 배치되는데, 이 냉각 유닛(29)은 냉각액이 순환하는 공동(30)을 포함한다. 냉각 유닛(29)은 냉각액 운반 튜브(31)를 통해 탁상 유닛의 냉각액 순환 시스템에 연결된다. 이에 따라 다량의 열에너지가 고체 레이저(1)로부터 제거될 수 있어 높은 듀티 사이클(duty cycle)에서의 장기간 작동에도 레이저를 안전한 작동 파라미터 내로 유지할 수 있게 된다.

고체 레이저(1)와 빔 형성 및 편향 유닛(24)을 제어하기 위해, 제어 유닛(32)이 휴대 장치(20) 내에 배치되고, 이 제어 유닛(32)은 또한 예컨대 탄탈륨 또는 니오븀 커패시터로 구현된 적어도 하나의 고 용량 전류 버퍼(33)를 포함한다. 제어 유닛(32) 또는 고 용량 전류 버퍼(33)는 전원 공급 라인(34)을 통해 탁상 유닛의 전원 공급 장치와 연결되고, 전원 공급 장치는 전류 버퍼(33)를 충전시키기 위한 전기 에너지를 공급한다.

제어 유닛은 휴대 장치(20)의 사용자가 고체 레이저의 기본 작동을 제어할 수 있게, 예컨대 레이저 빔의 방출을 제어할 수 있게 하는 작동 제어 스위치 유닛(35)과 연결될 수 있다.

종래 기술의 레이저 기반 치료 시스템의 주된 단점 한 가지는 레이저의 유지 보수가 매우 어려운 작업이라는 것이다. 일반적으로 서비스 기술자가 설치 장소로 와야 하는데, 이는 이전의 레이저 시스템은 일단 설치되어 작동되고 나면 유지 보수 스테이션으로 운송될 수 있게 구현되지 않아서 수송하는 경우 레이저 시스템에 심각한 손상을 입힐 수 있기 때문이다. 본 발명에 따른 고체 레이저의 튼튼한 실시예로 인해, 레이저를 특별히 조심스럽게 취급할 필요가 없고, 이에 따라 교체, 특히 유지 보수 스테이션으로의 운송이 레이저를 손상시킬 위험 없이 쉽게 행해질 수 있다. 이에 따라 치료 장치의 유리한 실시예는, 휴대 장치(20)가 분리가능한 커넥터(36)를 포함하고 이 분리가능한 커넥터를 이용하여 휴대 장치(20)가 가요성 호스(37)를 통해 탁상 유닛에 연결될 수 있는 것이다. 커넥터(36)는 스크류식 또는 베이어닛식 커넥터 수단일 수 있고, 튜브 라인(31)과 전원 공급 라인(34)을 휴대 장치(20) 내에서 연결하기 위한 특별히 배치되고 정렬된 커넥터 수단(38)을 추가로 포함한다. 이 실시예의 다른 장점은 특정 파장에서 발광하는 고체 레이저(1)를 구비한 개개의 휴대 장치가 탁상 유닛에 연결될 수 있다는 점이다. 이에 따라, 작동 출력과 작동 매체 공급을 제공하는 탁상 유닛을 간단하게 단지 재사용, 즉 개별적으로 구성된 휴대 장치를 다양하게 선택하여 연결함으로써, 이용 가능한 다중 치료 장치를 필요로 하지 않고 특별히 선택된 파장을 이용하여 치료가 행해질 수 있다.

도 24는 치료 장치의 다른 실시예를 도시하는데, 특히 독립형 휴대 장치(39)를 도시하고 있다. 기본적인 기능 요소들은 앞의 도 23에 도시된 것과 동일하며, 특히 고체 레이저(1)는 본 발명에 따라 구현되었다. 장치(39)가 독립형 장치이기 때문에, 고체 레이저(1)의 냉각은 액냉 시스템에 의해 이루어질 수 없고, 전적으로 휴대 장치(39) 내에서 이루어져야 한다. 이에 따라 냉각 유닛(29)은 예를 들어 자유 공랭 수단(free air cooling means)을 포함할 수 있는 고체 냉각 유닛으로 구현된다. 예컨대 에너지 공급의 이유, 레이저 유닛(1)의 반복률 및 이에 따라 고체 레이저에 의해 발생되는 열의 양으로 인해 이동식 휴대 장치(39)로 행할 수 있는 치료의 수가 제한적임에 따라, 자유 공랭은 고체 레이저를 정상적인 작동 파라미터 내로 유지하기에 충분할 것이다. 한 가지 실시예에 따르면, 냉각 유닛(29)은 레이저의 작동 온도 범위 내에서 가역성 상 상태 변화를 갖는 물질(40)을 포함할 수 있다. 공지된 바와 같이, 물질의 상 상태 변화는 한 상 상태 내에서 가열하는 것보다 훨씬 많은 열에너지를 필요로 한다. 예를 들어 파라핀은 일반적으로 약 42°의 온도에서 상 상태 변화를 갖는데, 이는 고체 레이저(1)의 과도한 열을 넘겨받기에 매우 적합하다. 작동이 정지된 동안에 가열된 파라핀은 저장된 열을 주변으로 방출하고, 이에 따라 액체에서 고체로 상 상태 변화를 행함으로써 자체적으로 다음에 사용될 수 있게 준비된다.

레이저와 제어 유닛(32)을 작동시키기 위한 에너지는 예컨대 리튬 이온 이차 전지 또는 리튬 폴리머 이차 전지로 구현되는 전기 에너지 저장 수단(41)에 의해 제공된다. 다수의 치료 작동을 행한 후에, 휴대 장치(39)는 연결 포트(42)를 통해 전기 공급 시스템에 연결되어 다음 작동 사이클을 위해 전기 저장 수단(41)을 재충전한다.

행해질 치료의 요건에 맞추어 독립형 휴대 장치(39)를 구성하기 위하여, 휴대 장치는 사용자 인터페이스(43), 바람직하게는 표시부와 입력 장치를 추가로 포함한다. 이 사용자 인터페이스(43)는 제어 유닛에 연결되어, 휴대 장치(39)를 외부 제어 유닛에 연결할 필요 없이 레이저 작동 파라미터들을 개별적으로 구성할 수 있게 한다.

도 25는 하우징(44) 내에 배치된 본 발명에 따른 고체 레이저를 포함하는 치료 장치를 도시한다. 고체 레이저는 광 커플링 장치(46)에 의해 광 안내 요소(45)로 안내되는 레이저 빔(21)을 방출한다. 이 광 커플링 장치(46)는 비이미징 광학계(non-imaging optics) 또는 이미징 광학계, 섬유 집광기(fiber concentrator) 또는 테이퍼 광섬유(tapered fiber)의 효과에 근거할 수 있다. 광 안내 요소(45)는 예컨대 단일 섬유 요소 또는 다 섬유 요소일 있고, 광 커플링 장치(46)의 목적은 직경이 광섬유 직경의 대략 60%인 레이저 빔(21)을 단일 섬유 요소에 대해서는 직경이 대략 150 내지 550㎛인 광 안내 요소(45)로 그리고 다 섬유 광 안내 요소(45)의 경우에는 다수의 75 내지 200㎛ 섬유들로 안내하는 것이다.

하우징(44)은 가압 가스를 발생시키기 위한 장치 및/또는 가압 액체를 발생시키기 위한 장치를 추가로 포함할 수 있다. 가압 가스는 주변에 대해 양압 또는 부압을 가질 수 있는데, 양압을 갖는 가스는 목표 영역에서 제거된 물질을 불어 날리기 위해 사용될 수 있고 부압을 갖는 가압 가스는 목표 영역에 존재하는 액체를 포함하는 목표 영역에서 제거된 물질을 흡출하는 데 사용될 수 있다. 도 25에는 폐기물실(48)로의 안내부를 포함함으로써 제거된 물질을 레이저가 목표면을 관통하는 목표 영역에서 흡출될 수 있게 하고 안전한 제거를 위해 폐기물통(48)에 수집될 수 있게 하는 부의 가압 가스(47)를 발생시키기 위한 장치가 도시되어 있다.

적어도 광 안내 요소(45)는 가요성 호스(49)를 통해 휴대 장치(50)에 연결된다. 가요성 호스는 적어도 광 안내 요소(45)가 내부에 배치되는 섬유 보강 가요성 튜브일 수 있다. 단순화하기 위해서, 여러 가지 라인들이 내부에 배치된 가요성 호스는 도 25에서 단일 선으로 도시하였다. 가요성 호스의 목적은 하우징과 떨어져서 배치된 휴대 장치(50)가 자유롭게 움직일 수 있게 하기 위해서 내부에 배치된 라인들을 보호하는 것이다. 다른 실시예에서는, 가요성 호스는 광학적 광 안내 요소 자체로 이루어질 수 있고, 안내 요소는 보호성 및 가요성 커버를 포함할 수 있다. 이에 따라 직경이 매우 작고 고도의 가요성을 갖는 가요성 호스가 마련된다. 휴대 장치(50)는 치과용 드릴 장치와 유사한 솔리드 핸드 피스(solid hand piece)일 수 있다. 휴대 장치(50) 내부에는, 광 안내 요소(45)와, 도 25에 도시된 바와 같이, 가압 액체 및/또는 가압 가스를 제공하기 위한 덕트(51)가 휴대 장치(50)의 작업 단부(52)에 배치된다. 작업 단부(52)에는 출구 포트(45)가 배치되는데 이 출구 포트는 광 안내 요소(45)와 연결되고, 추가 출구 포트가 덕트(51)에 연결되며, 도시된 실시예에서 덕트에 연결된 출구 포트는 광 안내 요소(45)에 연결된 출구 포트 둘레에 배치되고, 이에 따라 제거된 물질이 레이저 빔이 목표면을 관통하는 작업 영역 주변에서 흡출되는 작업 팁이 마련된다.

멸균을 위해서, 작업 캡(54)이 작업 팁(52)의 상단에 배치되고, 출구 포트로 연장되어 작업 팁, 특히 광 안내 요소(45)의 단부가 목표면 또는 제거된 물질과 접촉되는 것을 방지할 수 있다. 이는 생체 물질이 한 환자에서 다른 환자로 이전되는 것을 반드시 피해야 하는 의료 분야에서는 매우 중요하다. 보호 캡(54)은 일회용 장치이거나 혹은 재사용가능할 수 있지만, 완전히 세정할 수 있는 장치일 수 있어, 휴대 장치(50)를 멸균 상태로 유지하도록 세정해야 하는 노력을 저감할 수 있다.

휴대 장치(50)는 가요성 호스를 통해 하우징(44) 내의 제어 유닛(56)에 연결된 작동 스위치(55)를 추가로 포함할 수 있다. 이 작동 스위치(55)는 고체 레이저(1)와 가압 액체 및/또는 가압 가스 발생 장치의 작동을 제어하는 예컨대 단순한 온/오프 스위치일 수 있다. 사용자가 치료를 행하기 위한 여러 가지 장치들의 작동을 더욱 정교하게 제어할 수 있게 하는 다른 제어 스위치도 사용할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 휴대 장치(50)는 고체 레이저(1)로부터 분리될 수 있다. 이에 따라 휴대 장치(50) 및/또는 하우징(44)은 휴대 장치(50)를 가요성 호스(49)로부터 분리할 수 있게 하거나 혹은 가요성 호스(49)를 하우징(44)으로부터 분리할 수 있게 하는 커넥터 수단(57)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서는 커넥터 수단(57)만이 가요성 호스에 부착되고 이에 따라 일체로 된 휴대 장치와 가요성 호스를 하우징으로부터 제거할 수 있을 수 있다. 치료 장치의 한 작동 영역이 의료용이면, 생체 물질과 접촉되는 각 부품을 완전히 세정하고 멸균하는 작업이 행해져야만 한다. 광 안내 요소(45)가 사파이어 같은 고도로 복잡하고 매우 비싼 물질로 이루어진 경우, 보호 캡(54)을 사용하는 것이 매우 적절한데, 이는 그렇게 함으로써 휴대 장치(50) 및 가요성 호스(49) 내부의 덕트를 세정할 필요성을 감소키기 때문이다. 또한, 휴대 장치(50)는 일회용 장치일 수 있고, 이에 따라 휴대 장치는 가요성 호스에서 분리되어 폐기되고 다음 번 사용을 위해 새로운 휴대 장치로 교체될 수 있다. 다른 한편으로는, 광 안내 요소(45)는 광 안내 요소용으로 매우 저렴한 물질인 SiO₂로 이루어질 수 있는데, 이는 휴대 장치(50)를 가요성 호스(49)와 함께 폐기하고 각각 치료용으로 새로운 부품들을 사용하는 데에는 적절할 해결책일 것이다. 휴대 장치(50)를 가요성 호스(49)에서 분리하고 가요성 호스를 하우징(44)으로부터 분리하면, 멸균 절차를 개별적으로 수행할 수 있게 되어 휴대 장치는 예를 들어 고압 멸균 유닛(autoclave unit)에서 멸균될 수 있고 가요성 호스는 살균액(disinfection solution)에 담겨질 수 있다. 커넥터 수단(57)은 덕트와 광 안내 요소를 적절하게 정렬시키기 위한 개개의 연결부들을 제공하고, 이에 따라 액밀성 및/또는 기밀성 연결이 이루어진다. 또한, 레이저 빔이 가요성 호스(49)에서 휴대 장치(50)로 넘어갈 때 어떤 연결 손실도 없다. 가요성 효소를 하우징(44)에 연결하는 커넥터 수단에도 동일하게 적용된다.

도 26a는 작업 팁을 개략적으로 도시하며, 덕트는 제거된 물질과 함께 부의 상대 압력을 갖는 가압 가스를 제공하는 덕트에 의해서 흡출되는 가압 액체를 팁에 공급한다. 도시된 실시예에서, 광 안내 요소(45)는 다수의 단일 광 안내 섬유(61)를 포함하는 다 섬유 광 안내 요소로 구현된다. 덕트(58)는 가압 액체를 작업 팁 단부(59)로 전달하고, 다른 덕트(60)는 부의 상대 압력을 갖는 가압 가스를 공급하며 그 출구 개구를 작업 팁 단부(59) 상에 구비한다. 광 안내 요소(45)의 단일 광섬유(61)들은 가압 가스를 제공하는 덕트 둘레에 배치된다. 가압 액체를 제공하기 위한 덕트(58)는 광섬유(61)들을 둘러싸고, 이에 따라 가압 액체는 가압 가스를 제공하는 덕트의 외부 둘레와 가압 액체를 제공하는 덕트의 외부 둘레 사이에서 운반되어 단일 광 안내 섬유(61)들을 둘러싼다. 레이저가 작동할 때, 단일 광섬유(61)들 각각은 레이저 빔을 목표면으로 방출한다. 또한 덕트(58)에 의해 제공되는 액체는 목표 영역으로 안내되어 제거 물질을 씻어 낸다. 목표 영역으로부터 제거 물질을 제거하도록, 제공된 액체는 제거 물질과 함께 부의 상대 압력으로 가압된 가스를 제공하는 덕트(60)로 흡입됨으로써 목표 영역을 깨끗하게 유지시키고 레이저 빔 산란 또는 과도한 열의 삽입으로 인한 잠재적인 조직 손상을 방지한다.

도 26b는 작업 팁 단부(59)의 다른 실시예를 도시한 정면도이다. 단일 섬유 광 안내 요소(45)는 가압 액체용 출구 포트(62)들과 부의 상대 압력을 갖는 가압 가스용 출구 포트(63)들로 둘러싸인 작업 팁 단부(59)의 중앙에 배치된다. 액체가 목표 영역을 퍼지하는 데 사용되고 나서 상기 액체는 제거 물질과 함께 부의 가압 가스에 의해서 흡출되므로 이는 도 26a에 도시된 실시예와 유사한 기능을 갖는다.

도 26c는 작업 팁 단부(59)의 다른 실시예를 도시한 정면도인데, 광 안내 요소의 광섬유 단부(61) 몇 개가 덕트들, 즉 가압 액체를 제공하기 위한 덕트(62)와 부압을 갖는 가압 가스를 제공하기 위한 덕트(62) 둘레에 배치된다. 또한 팁 단부에 배치된 조명 수단(64)이 있을 수 있는데, 이 광 방출 요소는 광 방출 다이오드로 구현되거나, 혹은 바람직하게는 이 조명 수단(64)은 별도의 광 안내 요소로 구현되거나 혹은 레이저 빔을 제공하는 광 안내 요소의 한 섬유일 수 있다. 또한, 다른 광 안내 요소 또는 레이저 빔을 제공하는 광 안내 요소의 섬유가, 이미지를 하우징 내의 이미지 분석 및 처리 수단으로 안내하여 조작자가, 눈으로만 목표 영역을 감시하는 것에 의해서는 불가능할, 목표 영역을 명확하게 볼 수 있게 하는 이미지 수집 수단(65)으로 사용될 수 있다.

작업 팁 단부(59)는 음향 트랜서듀서, 즉 음향 트랜서듀서의 작업 팁 또는 고주파 송신기의 전극을 추가로 포함할 수 있는데, 둘 다 목표 영역에서 물질을 제거하는 추가적인 응용 가능성을 제공한다.

도 26d는 작업 팁 단부(59)를 도시한 측면도인데, 광 안내 요소(45)는 작업 팁 단부의 상면에서 돌출되고, 또한 이 광 안내 요소는 경사진 형상으로 형성된 단부(66)를 추가로 구비한다. 경사면은 유전 층 또는 유전 층 장치로 덮일 수 있거나 혹은 내부 전반사에 기초하여 작동하며, 이에 따라 광 안내 요소(45)에 의해 운반되는 레이저 빔은 광 안내 요소의 평행 축과 다른 각도, 예컨대 평행 축에 법선인 각도로 요소를 빠져나간다. 이 실시예는 작업 방향과 다른 물질의 제거가 가능해지는데, 특히 물질은 작업 팁의 작업 방향 옆에 있는 영역에서 제거될 수 있다.

완전성 차원에서, 추가로 바람직한 형태의 실시예들은 다음과 같다.

[실시예 1]

의료용 레이저 장치로서,

본 발명의 명세서에서 설명한 레이저를 포함하고,

레이저 광이 적어도 한 광 안내 요소(예컨대, 섬유 광학계, 중공 섬유 광학계, 관절형 미러 암)에 최적으로 커플링되게 하고,

교체가능하고 또한 멸균도 가능할 수 있게 구성되거나 혹은 일회용 부품으로 구성된 적어도 한 광 안내 유닛에 결합된 커플링 유닛을 포함하며,

인체 내의 병리학적 덩어리(pathogenic clump)(담석, 동맥 석회화물, 신장 결석, 방광 결석)를 덩어리 내의 물의 폭발성 증발(explosive evaporation)을 통해서 또는 덩어리 바로 앞의 물이나 조직을 담고 있는 물의 폭발성 증발에 의해 발생되는 충격파를 통해서 고 펄스 에너지 또는 고 에너지 펄스로 제거하기 위하여 광 안내 요소가 인체 내의 병원체 덩어리에 도달함으로써 인체 내의 병원체 덩어리를 치료하는, 의료용 레이저 장치.

이 레이저의 장점은 펄스 에너지, 펄스 지속 기간 및 강도(단위 시간 당 펄스 에너지) 뿐만 아니라 반복률이 환자에 개별적인 치료에 맞추기 위해 넓은 범위에서 조정될 수 있다는 것이다.

[실시예 2]

의료용 레이저 장치로서,

본 발명의 명세서에서 설명한 레이저를 포함하고,

교체가능하고 또한 멸균도 가능하게 구성되거나 혹은 일회용 부품으로 구성될 수 있는 광 안내 유닛들(중 적어도 한 광 안내 유닛)은 휴대 장치에 연결되고,

휴대 장치는 레이저 광을 광 안내 요소들 중 적어도 한 광 안내 요소에 그리고 나서는 치료될 지점에 또는 교체가능하고 또한 멸균도 가능하게 구성되거나 혹은 일회용 부품으로 구성될 수 있는 광 안내 요소에 최적으로 커플링시키는 추가 커플링 유닛을 포함할 수 있고,

이 광 안내 요소들 중 적어도 하나에 더하여, 장치로부터 펌핑되거나 그리고/또는 흡입되는 유체 및/또는 가스용, 및/또는 전기 리드(예컨대, 접촉 신호, 지시 신호 스위칭)용, 및/또는 치료될 지점으로부터 데이터를 전송하거나 혹은 치료될 지점으로 광(조명, 레이저 광, 목표 레이저)을 전달하기 위한 광학 라인용의 튜브를 수반할 수 있는,

예를 들어 녹내장과 백내장(적절한 치료법은 수정체 유화(phacoemulsificatio)(수정체 파괴) 및 후속하는 인공 수정체 삽입을 이용한 백내장 수술임), 일반적으로 녹내장으로 발전되는 내부 안압 상승(적절한 치료법은 섬유주대 절개술(trabeculotom) 또는 홍체 절제술(iridectom)임)과 같은 (동물 또는 사람의) 눈의 질병의 치료, "비문증" 또는 유리체의 혼탁(적절한 치료법은 유리체 절제술임)에 대한 유리체의 치료 및 마지막으로 수정체 교정을 이 레이저로 행하기 위한 의료용 레이저 장치.

이 레이저를 사용함으로써 얻을 수 있는 장점은 펄스 에너지, 펄스 지속 기간 및 강도(단위 시간 당 펄스 에너지) 뿐만 아니라 반복률이 치료될 환부에 개별적으로 맞추어서 치료할 수 있게 하기 위해 넓은 범위에서 조정될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 수정체 유화 중에, 본 발명의 레이저를 이용하면, 열에너지가 덜 가해지고 더 잘 조정될 수 있기 때문에, 수정체는 상업적으로 이용가능한 초음파 파괴기 또는 플래시 광 여기 고체 레이저를 이용하는 것보다 훨씬 부드럽게 파괴된다. 건강한 조직 근처에 있지 않거나 파괴될 수정체의 내부에 있는 수정체 영역의 수정체 조직이 파괴되는 한, 작업은 고 펄스 에너지와 높은 반복률로 수행될 수 있다. 수정체의 가장자리에 있거나 혹은 건강한 조직 근처에 있는 영역에 도달하면, 더욱 정밀하게 작업하기 위하여 레이저 에너지와 반복률은 감소될 수 있다. 낮은 반복률로 인해 조직 내의 열에너지의 축적 및 이에 의한 조직의 파괴를 방지할 수 있게 된다. 초음파를 이용할 때와 같이, 수정체는 레이저에서는 공동 기포(cavitation bubble)에 의해 발생되는 충격파에 의해 파괴된다. 단 하나 또는 약간 수의 섬유가 제거될 조직에 사용되면, 공동 기포는 몇 개의 섬유들이 사용될 때보다 크고 그리고/또는 길다. 이는 충격파가 건강한 조직으로 너무 많이 소실되는 위험이 있다. 그러면, 수정체의 완벽하고 부드럽게 제거하는 것을 더 이상 보장할 수 없게 된다. 이에 따라, 몇 개의 섬유가, 어떤 환경에서는 특정의 절제부(cut)에 대해서는 섬유 단부를 통해 안내되는 광의 조정된 방출 방향과 같은, 제거 물질용 흡입 채널 또는 플러싱 채널 둘레에 배치되면 유리하다. 위에서 설명한 모든 가능성들은 유리체를 제거(유리체 절제술)할 때 매우 유리하다. 어떤 경우에는, 예를 들어 유리체 절제술 중의 망막의 직접 손상을 방지하도록 레이저 광이 측방향(예컨대, 광 전달 요소 내부에 있는 광에 대해 90°)으로 방출되는 것이 타당하다. 또한, 섬유주대 절개술에서는, 눈에 정확하게 구획된(precise and defined) 소형 개구를 생성하고 챔버 유체의 제어된 유출을 위한 적당한 채널을 내부로부터 생성하는 것이 가능하다. 마지막으로, 본 발명의 명세서에서 설명한 레이저의 매우 양호한 조정 가능성으로 인해, 중적외선 레이저에 대해서는 지금까지 알려져 있지 않았던, 수정체의 정확한 교정이 수행될 수 있는데, 이러한 중적외선 레이저는 엑시머 레이저 또는 펨토초 레이저와 비교하여 구입 비용 및 유지보수 비용이 매우 감소되는 장점이 있다. 이상적으로는, 의료용 레이저 장치는 눈 및 눈 관련 수술 및 교정 치료(단편화(rhexi) 등을 포함) 중 넓은 범위 또는 심지어는 전체 범위를 커버하는 몇 개의 핸드피스 유닛 또는 핸드피스를 구비한 섬유 유닛을 수용할 수 있다.

[실시예 3]

의료용 레이저 장치로서,

본 발명의 명세서에서 설명한 레이저를 포함하고,

휴대 장치는 레이저 광을 광 안내 요소들 중 적어도 한 광 안내 요소에 그리고 나서는 치료될 지점에 또는 교체가능하고 또한 멸균도 가능하게 구성되거나 혹은 일회용 부품으로 구성될 수 있는 광 안내 요소에 최적으로 커플링시키는 커플링 유닛을 추가로 포함할 수 있고,

조직부를 정확하게 구획된 방식으로 제거하기 위한 (동물 또는 사람의) 뇌 또는 다른 장기의 질병의 치료를 위한 의료용 레이저 장치.

일례로 예를 들어 간질을 초래하는 뇌 중심부의 치료를 들 수 있는데, 병든 부분으로 여겨지는 영역을 정확하게 제거할 수 있다. 다른 가능성은 혈관의 침착물(예컨대, 동맥 경화증)의 제거를 들 수 있다. 일례로, 대략 50대 이상 연령층에서 매우 증가하고 있는 경동맥(carotid artery)의 석회 침착이다. 침착물은 일반적으로는 혈관의 맨틀(mantle) 내에서 볼 수 있지만 피를 수송하는 혈관 외부에서도 볼 수 있다. 이 경우에도, 또한, 레이저는 펄스 에너지와 반복률 둘 다 매우 정밀하게 조정되어야 한다. 뇌수술과 혈관 수술 둘 다에서, 주변 조직의 열파괴를 적게 하기 위해서는 펄스 지속 시간이 짧아야 하지만 그렇다고 너무 짧으면 충격파가 발생되어 주변 조직에 기계적인 에너지를 가함으로써 조직을 파괴하기 때문에 곤란하다. 최적의 펄스는 1 내지 50㎲(조제프 티. 왈시(Joseph T. Walsh), 1981년, 조직의 펄스 레이저 제거: 제거 공정 및 조직 치유의 분석 참조; 그 내용을 본 발명의 명세서에 원용하여 포함함)이고, 이는 또한 설정된 펄스 에너지와 광을 치료될 장소로 안내하는 광 전달 요소의 수에 좌우된다.

[실시예 4]

의료용 레이저 장치로서,

본 발명의 명세서에서 설명한 레이저를 포함하고,

이 광 안내 요소들 중 적어도 하나에 더하여, 장치로부터 펌핑되거나 그리고/또는 흡입되는 유체 및/또는 가스용, 및/또는 전기 리드(예컨대, 접촉 신호, 지시 신호 스위칭)용, 및/또는 치료될 지점으로부터 데이터를 전송하거나 혹은 치료될 지점으로 광(조명, 레이저 광, 목표 레이저)을 전달하기 위한 광학 라인용의 튜브를 수반할 수 있는, (동물 또는 사람의) 뼈의 질병의 치료를 위한 의료용 레이저 장치.

이 레이저를 이용한 치료는 융합된 이소골의 수술(서로로부터의 또는 조직 증식부(proliferations),로부터의 분리, 등자뼈 성형수술(stapetoplastics)) 및 정확한 방법의 결여로 인한 안면 신경의 손상이 반드시 방지되어야 하는 두개악 안면 기형 및 손의 뼈에 대한 수술에 사용된다. 본 명세서에서 설명한 레이저의 다른 주된 장점은 플래시 광 여기 레이저 또는 기계적인 작업 기구보다 뼈 조직의 열파괴를 초래할 가능성이 매우 적다는 것이다. 이에 의해 치유 과정이 최적화되고 몇 배는 더 빨라진다. 응집 및/또는 탄화가 거의 일어나지 않으므로 뼈세포들은 함께 더 쉽게 성장할 수 있고, 이에 따라 뼈세포들은 다시 직접 연결되고 관절은 매우 적은 증식부로 둘러싸인다. 뼈의 치료에 더하여, 연골 조직 및 추간판 조직의 치료도 정형술(orthopaedic)의 일 부분을 이룬다. 관절의 증식부는 통증을 저감시키고 심지어는 제거하기 위해 정확하게 구획된 방식으로 제거될 수 있다. 또 다른 응용 영역은 스크류 또는 다른 임플란트용 구멍의 천공과 같은 연결 요소를 일시적으로 또는 영구적으로 부착하기 위한 골절시의 뼈의 준비(preparation)이다. 골절부가 이미 접합되었거나 부정확하게/불완전하게 접합된 경우에, 골절부가 함께 최적으로 성장할 수 있도록 파절 지점(breakage point)이 정확하게 준비될 수 있다. 또 다른 응용 분야는 예를 들어 거대 세포 종양 또는 다른 양성 또는 악성 종양과 같은 뼈에 있는 암세포를 정확하게 제거하는 것이다.

피부과에서는, 레이저 파라미터들은, 한편으로는 매우 짧은 펄스를 이용하여 주변 조직에 매우 낮은 또는 무시할 정도의 열이 입력되는 제거를 할 수 있고, 다른 한편으로는 깊은 피부층들에서 에너지가 열을 공극 또는 제거 영역을 둘러싸는 조직에 가해지도록 일어나는 열 적층을 통해 긴 펄스와 높은 반복률에 의한 콜라켄 수축의 열 활성화 또는 원섬유 성장의 자극을 발생시킬 수 있게 변경될 수 있다.

실시예의 위에서 설명한 형태에 대해, 레이저 자체 또는 광 안내 요소는, 미리 프로그램된 경로를 거쳐서 X, Y 및/또는 Z 방향으로 적어도 한 축을 따라 자동으로 이동되거나 혹은 공간에서 수동으로 이동되는 위치 결정 장치 상에 장착될 수 있다. 또한, 목표는 레이저 아래에서 모든 삼차원 축들로 수동으로 또는 미리 프로그램된 방식으로 이동될 수 있다. 또한, 레이저 빔을 적어도 한 축으로 수동 또는 미리 프로그램된 방식으로 편향시키는 빔 편향기(beam deflector)가 레이저 또는 광 안내 요소 바로 뒤에 설치될 수 있다. 치료 의사가 그 시각에 자신이 물질을 제거하고 있는 곳을 온라인으로 정확하게 볼 수 있게 하는, 예를 들어 온라인 X레이 감시와 같은 작동 보조 기구 또는 예를 들어 광 간섭 단층 촬영(OCT: optical coherence tomograph)과 같은 다른 공정들에 의해서 정확한 작동이 용이하게 행해질 수 있다. 조직의 차이(뼈와 신경 조직, 혈관 내의 석회화물, 예컨대, 동맥 경화증 등)가 파악될 수 있고, 제거될 또는 이미 제거된 물질의 치수 크기(dimensional extent)가 감시되고 고려될 수 있다.

레이저 파라미터들은, 연속파, 준연속파(펄스), 이득 스위칭과 같은 여러 가지 작동 모드를 제어하는 구동기 또는 "반도체 레이저", 레이저 다이오드 구동기를 통해 제어된다. 펄스 반복률, 펄스 에너지("반도체 레이저"의 전류를 통함), 펄스 형태(톱니형, 사이너스(sinus)형, 장방형, 사다리꼴 등) 및 상승 및 하강 시간이 제어될 수 있다. 일반적으로는, 레이저 결정에 불필요한 열 부하가 가해지는 것을 방지하기 위해 상승 시간과 하강 시간이 짧은 장방형 펄스가 선택된다. 레이저 다이오드 구동기와 레이저 간의 공급 라인이 길수록, 표피 효과를 통한 구리의 유도율 및/또는 저항으로 인해 상승 시간이 그리고 어떤 경우에는 하강 시간도 늦어지고 더 많은 에너지가 사용되지 않거나 혹은 레이저 결정에 비효율적으로 여기된다. 레이저 다이오드 구동기가 레이저에 가깝게 장착되면 특히 유리하다. 레이저 구동기의 전류, 반복률 및 펄스 지속 시간과 같은 가장 중요한 파라미터들은, 거의 대부분이 발생되는 레이저 펄스와 직접 상응하므로, 사용자에 의해 설정될 수 있다.

광 안내 요소들은 관절형 미러 암들, 중공 섬유들, 광 전달기 및 사파이어, 산화 게르마늄, 산화 실리콘에 기반하거나 또는 플루오라이드 또는 예를 들어 현재 개발 중인 세라믹 기반의 투명 알루미늄, 지르코늄, 마그네슘 등과 같은 현재 개발 중인 세라믹 섬유에 기반한 다른 단일 또는 다수의 유리 섬유들일 수 있다.

광 안내 요소에 대한, 무엇보다도 다중 광 안내 요소에 대한 커플링 방법은 당업자에게 공지되어 있다. 공간적인 이유로, 다중 광 전달 요소들을 베이스 스테이션에 커플링시키는 것이 합리적이다. 중적외선 범위에서 광 전달 요소가 매우 비싸기 때문에, 커플링은 휴대 장치에 이어지는 단 하나의 섬유를 갖는 휴대 장치에서 행해지고, 하나의 섬유는 몇 개의 광 전달 요소들로 분할되어 휴대 장치의 팁까지 이어진다.

1: 고체 레이저 2: 레이저 이득 매질
3: 공진기 구조물 4: 단부면
5: 여기원 6: 전도성 냉각기
7: 반사기 8:
9: 10:
11: 12:
13: 14:
15: 16:
17: 18:
19: 20: 휴대 장치
21: 레이저 빔 22: 광 경로
23: 목표면 24: 빔 형성, 편향 유닛
25: 접촉 창 26: 레이저 빔
27: 커버 28: 미러
29: 냉각 유닛 30: 공동
31: 튜브 32: 제어 유닛
33: 전류 버퍼 34: 전원 공급 라인
35: 제어 스위치 유닛 36: 커넥터
37: 가요성 호스 38: 커넥터 수단
39: 독립형 휴대 장치 40: 상 상태 변화 물질
41: 전기 에너지 저장 수단 42: 연결 포트
43: 사용자 인터페이스 44: 하우징
45: 광 안내 요소 46: 광 커플링 장치
47: 가압 가스 발생 장치 48: 폐기물실
49: 가요성 호스 50: 휴대 유닛, 휴대 장치
51: 덕트 52: 작업 단부, 작업 팁
53: 출구 포트 54: 작업 캡, 보호 캡
55: 작동 스위치 56: 제어 유닛
57: 커넥터 수단 58: 덕트
59: 작업 팁 단부 60: 덕트
61: 섬유 62: 가압 액체용 출구 포트
63: 가압 가스용 출구 포트 64: 조명 수단
65: 이미지 수집 수단 66: 경사면

Claims

일체형 측면 여기식 고체 레이저(1)로서,
종축(L)을 갖는 레이저 이득 매질(2)로 이루어진 레이저 공진기 구조물(3)을 포함하며,
레이저 공진기 구조물(3)은 선형 광 경로 공진 공동을 사이에 형성하는 단부면(4)들을 포함하고, 단부면(4)들 중 적어도 한 단부면은 특히 그 위에 증착된 적어도 부분적으로 반사하는 레이저 미러(4a, 4b)를 포함하며,
레이저 이득 매질(2)은 여기원(5)의 여기광(5a)을 수용하기 위한 측면(2a)을 포함하고, 여기광(5a)은 다이오드 레이저(5)에 의해 발생되며,
레이저 이득 매질(2)과 접촉되는 접촉면(6c)들을 포함하는 전도성 냉각기(6)를 포함하며,
종축(L)에 대해 측면(2a) 반대측에 배치된 반사기(7)를 포함하며,
레이저 이득 매질(2)은 저 이득 물질인 것을 특징으로 하는 일체형 측면 여기식 고체 레이저.
제1항에 있어서,
레이저 이득 매질(2)은 단면적이 7.5mm² 미만인 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
제2항에 있어서,
접촉면(6c)들은 레이저 이득 매질(2)의 종축(L)에 대해 대칭으로 배치된 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
제3항에 있어서,
전도성 냉각기(6)는 레이저 이득 매질(2) 옆에 배치되고 측면(2a) 반대측에 배치된 냉각기 공동(6d)을 포함하며, 여기광 반사기(7)는 냉각기 공동(6d)에 배치된 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
제4항에 있어서,
다이오드 레이저(5)와 반사기(7)는, 여기원(5)과 종축(L) 간의 광 경로의 길이가 종축(L)과 반사기(7) 간의 광 경로의 길이와 동일하거나 거의 동일하도록, 종축(L)에 대해서 종축(L)과 다이오드 레이저(5) 및 반사기(7) 각각의 사이의 거리(D1, D2)가 동일하게 배치된 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
단부면(4)들은 둘 다 레이저 미러(4a, 4b)를 포함하며, 레이저 미러들 중 하나는 특히 99 내지 100%의 반사율을 갖는 고반사 레이저 미러(4a)이고, 다른 레이저 미러(4b)는 출력 커플러인 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 공진기 구조물(3)은 1700 내지 3200nm 범위의 파장을 방출하는 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
제7항에 있어서,
출력 커플러(4b)는 반사율이 92.5 내지 99%인 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 이득 매질(2)은 냉각기(6) 내에 배치되지 않은 자유 단부(2d)들을 구비하고, 자유 단부(2d)들의 종축(L) 방향 길이는 바람직하게는 약 2mm이고 가장 바람직하게는 1mm인 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 이득 매질(2)은 네오디뮴, 이테르븀, 에르븀, 툴륨, 크롬 및/또는 홀뮴으로 도핑된 희토류 도핑 YAG, YSGG 또는 YLF 결정 호스트를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
다이오드 레이저(5)의 파장은 다이오드 레이저(5)의 주 파장이 레이저 이득 매질(2)의 흡수 피크 영역에 대해 시프트되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
제11항에 있어서,
여기광(5a)의 파장은 레이저 이득 매질(2)의 저 흡수 계수에서 선택되는 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
전도성 냉각기(6)는 레이저 이득 매질(2)과 접촉하여 레이저 이득 매질(2)을 유지하는 접촉면(6c)들을 포함하고, 전도성 냉각기(6)는 금속, 세라믹 또는 결정성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
제13항에 있어서,
두 개의 접촉면(6)을 포함하며, 접촉면(6c)들은 레이저 이득 매질(2)의 종축(L)에 대해 대칭으로 서로 대향하게 배치된 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
전도성 냉각기(6)는 종축(L)에 대해 동심으로 배치된 외부 튜브형 부재(6b)를 포함하고, 레이저 이득 매질(2)의 외부면(2c)과 외부 튜브형 부재(6b)는 냉각 유체용의 내부 공간을 한정하는 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 두 개의 여기원(5)들이 종축(L)에 대해 원주 방향으로 이격되어 있고,
종축(L)에 대해 측면(2a) 반대측에 배치된 상응하는 여기광 반사기(7)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
렌즈(8a, 8b)와 직경이 100 내지 250㎛인 광섬유(9)를 포함하며, 렌즈(8a, 8b)는 고체 레이저(1)의 레이저 빔(B)을 광섬유(9)에 집속시키도록 배치된 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 이득 매질(2)은 원통 형상 또는 타원통 형상인 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 부분적으로 반사하는 레이저 미러(4a, 4b)는 레이저 이득 매질(3)의 단부면(4)에 증착되고, 증착된 층은 충전 밀도가 0.9보다 크고, 바람직하게는 0.95보다 크며, 가장 바람직하게는 0.99보다 큰 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
여기원(5)은 파장이 955 내지 985nm인 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
여기원(5)은 파장이 760 내지 825nm인 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
여기원(5)은 파장이 1600 내지 2050nm인 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
여기광(5a)은 측면(2a)을 통해 레이저 이득 매질(2)로 공급되고, 여기광(5a)의 약 30 내지 70%, 바람직하게는 30 내지 50%가 반대측 측면(2b)에서 출거(exiting) 여기광(5b)으로서 레이저 이득 매질(2)을 빠져나가며, 출거 여기광(5b)은 반사기(7)에 의해 반사되고, 반사된 여기광(5c)은 반대측 측면(2b)에서 레이저 이득 매질(2)로 다시 들어가는 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
여기원(5)은 종축(L)을 따라 평행하게 배치된 레이저 다이오드 어레이로 구현된 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
저 이득 물질은 유도 방출 단면적이 Er:YAG의 유도 방출 단면적과 같거나 작은, 즉 3.0 x 10^-20cm² 이하인 레이저 이득 매질인 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
고체 레이저(1)가 적어도 100G의 어필력(appealing force)을 견디도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
레이저의 일체형 구성으로 인해, 레이저 고 반사기(4a)는 이득 매질(2) 위에 직접 증착되고 출력 커플러(4b)는 이득 매질의 반대측 단부에 직접 증착된 것을 특징으로 하는 고체 레이저(1).
종축(L)을 갖는 레이저 이득 매질(2)로 이루어진 레이저 공진기 구조물(3)을 포함하는 일체형 측면 여기식 고체 레이저(1)의 작동 방법으로서,
여기광(5a)은 측면(2a)을 통해 레이저 이득 매질(2)로 공급되고, 여기광(5a)의 일부가 반대측 측면(2b)에서 출거 여기광(5b)으로서 레이저 이득 매질(2)을 빠져나가며, 출거 여기광(5b)은 반사되고, 반사된 여기광(5c)은 반대측 측면(2b)에서 레이저 이득 매질(2)로 다시 들어가는 것을 특징으로 하는 일체형 측면 여기식 고체 레이저의 작동 방법.
제22항에 있어서,
레이저 이득 매질(2)은 레이저 이득 매질(2)의 종축(L)에 대해 대칭적으로 냉각되고, 레이저 이득 매질(2) 내에 종축(L)에 대해 대칭적인 열 분포를 수용하는 것을 특징으로 하는 일체형 측면 여기식 고체 레이저(1)의 작동 방법.
제22항 또는 제23항에 있어서,
여기광(5a)의 주 파장은 레이저 이득 매질(2)의 흡수 피크 영역에 대해 시프트되는 것을 특징으로 하는 일체형 측면 여기식 고체 레이저(1)의 작동 방법.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 고체 레이저(1)의 생체 조직의 치료 또는 제거를 위한 사용.
치료 장치로서,
하우징(44)에 배치되고 레이저 빔(21)을 방출하는 고체 레이저(1), 입사 레이저 빔을 광 안내 요소(45)로 안내하는 광 커플링 장치(46), 고체 레이저(1)를 휴대 장치(50)와 연결시키고 상기 광 안내 요소(45)를 포함하는 가요성 호스(49)를 포함하고,
상기 휴대 장치(50)는 레이저 빔을 목표면으로 안내하기 위한 출구 포트로서 광 안내 요소(45)의 단부를 위한 출구 포트(53)를 포함하고, 고체 레이저(1)는 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 따라 구현된 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제32항에 있어서,
하우징(44)은 고 용량 전류 버퍼를 구비한 전원 공급 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제32항 또는 제33항에 있어서,
하우징(44)은 특히 양의 그리고/또는 부의 상대 압력을 갖는 가압 가스를 발생시키기 위한 장치(47)를 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제32항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
하우징(44)은 가압 액체를 발생시키기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제34항 또는 제35항에 있어서,
가요성 호스(49)는 액상 또는 기상 매체를 휴대 장치로부터 그리고/또는 휴대 장치로 운반하기 위한 적어도 하나의 덕트(51)를 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제32항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
하우징(44)은 분리가능한 커넥터 수단(57)을 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제32항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
휴대 장치(50)는 분리가능한 커넥터 수단(57)을 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제32항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
휴대 장치(50)는 빔 형성 및/또는 편향 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제32항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
휴대 장치(50)는 음향 트랜스듀서, 특히 초음파 음향 트랜서듀서를 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제32항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
휴대 장치(50)는 광 안내 요소 분할 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제32항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
휴대 장치(50)는 광 이미징 수단(65)을 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제32항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
휴대 장치(50)는 고주파 송신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제32항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,
가요성 호스(49)는 전력 공급 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제32항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
가요성 호스(50)는 적어도 하나의 데이터 전송 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제32항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
광 안내 요소(45)는 단일 섬유 광 안내 요소로 구현된 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제32항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서,
광 안내 요소(45)는 다 섬유 광 안내 요소로 구현되는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제32항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서,
출구 포트(53)는 덕트(51)에 연결된 출구 개구(62, 63)를 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제32항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,
광 안내 요소(45)의 단부는 적어도 부분적으로 출구 개구(53) 둘레에 배치된 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제30항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서,
출구 개구(53)는 적어도 부분적으로 광 안내 요소(45)의 단부 둘레에 배치된 것을 특징으로 하는 치료 장치.
치료 장치로서,
레이저 빔(21)을 방출하며 냉각 유닛(29)을 추가로 포함하는 고체 레이저(1)와, 고체 레이저(1)를 전기적으로 구동시키는 제어 유닛(32)과, 레이저 빔 형성 및 편향 유닛(24)과, 형성된 레이저 빔(26)을 휴대 장치(20)로부터 목표면(23)으로 방출하며 투명 커버(27)를 포함하는 접촉 창(25)과, 상기 고체 레이저(1), 상기 레이저 빔 형성 및 편향 유닛(24) 및 상기 접촉 창(25)을 포함하는 광 경로(22)를 구비한 휴대 장치(20); 및 탁상 유닛으로서, 전력 공급 장치와, 탁상 유닛을 휴대 장치(20)와 연결시키며 전력 공급 연결라인을 추가로 포함하는 가요성 호스(37)를 포함하는 탁상 유닛을 포함하고, 상기 고체 레이저(1)는 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 따라 구현되며,
냉각 유닛(29)은 공동(30)을 포함하고, 가요성 호스(37)는 냉각 공동(30)을 탁상 유닛의 냉각액 순환 시스템과 연결시키는 적어도 두 개의 냉각액 운반 튜브(31)를 포함하고, 제어 유닛(32)은 하나의 고 용량 전류 버퍼(33)를 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
치료 장치로서,
레이저 빔(1)을 방출하며 냉각 유닛(29)을 추가로 포함하는 고체 레이저(1)와, 고체 레이저(1)를 전기적으로 구동시키는 제어 유닛(32)과, 레이저 빔 형성 및 편향 유닛(24)과, 형성된 레이저 빔(26)을 휴대 장치(39)로부터 목표면(23)으로 방출하며 투명 커버(27)를 포함하는 접촉 창(25)과, 상기 고체 레이저(1), 상기 레이저 빔 형성 및 편향 유닛(1) 및 상기 접촉 창(25)을 포함하는 광 경로(22)를 구비한 휴대 장치(39)를 포함하고, 상기 고체 레이저(1)는 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 따라 구현되고, 냉각 유닛(29)은 고체 냉각 장치(40)로 구현되고, 제어 유닛(32)은 하나의 고 용량 전류 버퍼(33)를 포함하고, 상기 휴대 장치(39)는 전기 에너지 저장 수단(41)을 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제51항 또는 제52항에 있어서,
광 경로(22)는 서로 들어맞는 밀봉 요소들 및/또는 매끄러운 평면들을 이용하여 주변 환경에 대해 밀봉된 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제51항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서,
휴대 장치(20, 39)는 적어도 두 개의 고 용량 전류 버퍼(33)와 고 용량 전류 버퍼(33)들 중 하나를 제어 유닛(32)에 개별적으로 연결하기 위한 스위칭 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제51항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서,
휴대 장치(20, 39)는 표시 유닛과 입력 장치를 포함하는 사용자 인터페이스(35, 43)를 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제51항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서,
휴대 장치(20, 39)는 이미지 획득 유닛과 이미지 분석 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제51항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서,
휴대 장치(20, 39)는 탁상 유닛으로부터 분리가능한 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제51항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서,
투명 커버(27)는 휴대 장치(20, 39)로부터 분리가능한 것을 특징으로 하는 치료 장치.
제52항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서,
고체 냉각 장치(40)는 상 변화 물질인 것을 특징으로 하는 치료 장치.