KR20150066602A - 스캐닝 속도에 따라 조정가능한 반복율을 갖는 고출력 펨토초 레이저 - Google Patents
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Abstract
펨토초 펄스 레이저들의 구성 및 동작을 위한 디자인들 및 기술들이 제공된다. 레이저 엔진의 일례는 펨토초 시드 펄스들의 빔을 생성하고 출력하는 발진기, 시드 펄스들의 지속기간을 늘리는 늘림-압축기, 및 늘림 시드 펄스들을 수신하고, 선택된 늘림 시드 펄스들의 진폭을 증폭하여 증폭 늘림 펄스를 생성하고, 그리고 증폭 늘림 펄스들의 레이저 빔을 그들의 지속기간을 압축하고 펨토초 펄스들의 레이저 빔을 출력하는 늘림-압축기에 다시 출력하는 증폭기를 포함한다. 증폭기는 증폭 늘림 펄스들의 분산을 보상하여, 절차들 사이 또는 스캐닝 속도에 따라 레이저의 반복율을 조정하게 할 수 있는 분산 제어기를 포함한다. 레이저 엔진은 500미터 미만의 총 광 경로를 가지게 되므로 조밀하게(compact) 구성될 수 있으며, 그리고 예를 들면 50개 미만의 적은 수의 광학 소자들을 가질 수 있다.
Description
본 특허 문서는 조정 가능한 반복률의 고출력 펨토초 레이저들을 포함하는 펨토초 레이저들에 관한 것이다.
오늘날의 훨씬 더 도전적인 많은 레이저 응용들에서 펄스당 고 에너지들을 운반하는 더 짧은 펄스들에 대한 지속적인 탐구가 있다. 이들 특징들은 레이저 응용들을 위해 더 좋은 제어 및 더 큰 동작 속도를 약속한다. 이 분야의 진화에 있어서 주목할만한 일보는 펨토초 레이저 펄스들을 출력하는 레이저 시스템들의 출현 및 성숙이었다. 이들 펨토초 레이저들은 몇 개의 상이한 타입들의 안과 수술들을 포함하여 폭 넓은 응용들을 위해 사용될 수 있으며, 여기서 이들 초단 펄스들은 잘 제어된 조직 변이를 제공할 수 있다.
펨토초 펄스 레이저들의 구성 및 동작시키기 위한 디자인들 및 기술들이 본 문서에서 제공되며, 본 문서는 처프 펄스 증폭(chirped pulse amplification)을 이용한 레이저 시스템들의 예시들 및 구현예들을 포함하며, 이중 일부는 낮은 개수의 광학 소자들을 가지며, 일부는 낮은 빈도의 불량들을 가지며, 다른 일부는 적합게 작은 물리적 넓이를 가지며, 또 다른 일부는 시스템의 실질적 재조정들 없이 반복율들의 변경을 허용할 수 있으며, 그리고 일부는 열 렌징(thermal lensing)에 대하여 감소된 민감도를 갖는다.
예를 들면, 레이저 엔진의 일부 예들은 펨토초 시드 펄스들의 빔을 생성하고 출력하는 발진기, 시드 펄스들의 지속기간을 늘리는 늘림-압축기, 및 늘림-압축기로부터 늘림(stretched) 시드 펄스들을 수신하고, 증폭 늘림 펄스(amplified stretched pulse)들을 생성하기 위해 선택된 늘림 시드 펄스들의 진폭을 증폭하고, 그리고 증폭 늘림 펄스들의 레이저 빔을 출력하는 증폭기를 포함하며, 여기서 늘림-압축기는 증폭 늘림 펄스들의 레이저 빔을 수신하고, 증폭 늘림 펄스들의 지속기간을 압축하고, 그리고 1,000펨토초 미만의 펄스 지속기간을 갖는 펨토초 펄스들의 레이저 빔을 출력하며, 증폭기는 증폭 늘림 펄스들의 분산을 감소시키는 분산 보상기를 포함한다.
일부 예시들에서, 발진기는 다이오드 펌핑 섬유 발진기이고 변형 제한 시드 펄스들을 출력한다.
일부 예시들에서, 발진기는 1,000펨토초 미만의 시드-펄스-지속기간을 갖는 빔을 생성한다.
일부 구현예들에서, 발진기는 10-100㎒ 및 20-30㎒ 중 하나의 범위의 시드 펄스 반복율을 갖는 빔을 출력한다.
일부 구현예들에서, 늘림-압축기는 처프(chirped) 체적형 브래그 격자를 포함한다.
일부 구현예들에서, 늘림-압축기는 광열의 굴절 유리를 포함한다.
일부 구현예들에서, 늘림-압축기는 10배 초과만큼 펨토초 시드 펄스들의 지속기간을 늘린다.
일부 구현예들에서, 늘림-압축기는 펨토초 시드 펄스들의 지속기간을 1,000-200,000펨토초의 늘림 지속기간으로 늘린다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 조정 가능한 늘림-압축기를 포함하지 않는다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 발진기와 늘림-압축기 사이에 늘림 시드 펄스들의 빔을 증폭기쪽으로 재지향하는 편광자 및 λ/4 플레이트를 포함한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 늘림-압축기로부터 늘림 시드 펄스들의 빔을 수신하고, 증폭기쪽으로 늘림 시드 펄스들의 빔을 출력하고, 증폭기로부터 증폭 늘림 펄스들의 레이저 빔을 수신하고, 늘림-압축기의 압축기 포트쪽으로 증폭 늘림 펄스들의 레이저 빔을 출력하고, 그리고 증폭 늘림 펄스들의 레이저 빔으로부터 발진기를 격리하는 패러데이 격리기(Faraday isolator)를 포함한다.
일부 구현예들에서, 증폭기는 광학 소자들을 포함하고, 그리고 분산 보상기는 증폭기의 광학 소자에 의해 도입된 분산에 반대 부호의 분산을 도입한다.
일부 구현예들에서, 분산 보상기에 의해 도입된 분산은 분산 보상기 이외의 증폭기의 광학 소자들에 의한 1회 왕복(roundtrip)내에서 도입된 분산에 필수적으로 크기가 동일하고 부호가 반대이다.
일부 구현예들에서, 분산 보상기는 처프(chirped) 미러, 처프 섬유, 처프 격자, 프리즘, 또는 처프 투과형 광소자 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 구현예들에서, 증폭기는 선택된 늘림 시드 펄스들의 진폭을 증폭하는 이득 재료, 공진 공동을 한정하는 2개의 말단 미러들, 및 증폭기내부에 공진 광 경로를 중첩(fold)시키는 2개의 접이식 미러들을 포함하며, 여기서 2개의 말단 미러들 및 2개의 접이식 미러들 중 적어도 하나는 처프 미러이다.
일부 구현예들에서, 처프 미러는 증폭 늘림 펄스들에 음의(negative) 분산을 도입한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 제 1 반복율을 갖고, 그리고 후속적으로 레이저 엔진의 모든 광학 소자들의 동일한 셋업을 필수적으로 이용한 상이한 제 2 반복율을 갖는 레이저 빔을 출력하도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 제 1 반복율 및 제 2 반복율은 10㎑-2㎒, 50㎑-1㎒, 또는 100㎑-500㎑의 범위들 중 하나 내에 든다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은, 수정되지 않은 레이저 엔진이 제 1 및 제 2 반복율을 위한 광학 소자들의 상이한 셋업들을 이용하였을 때, 모든 광학 소자들의 동일한 셋업을 필수적으로 이용하는 제 2 반복율을 갖는 레이저 빔을 제 1 반복율을 갖는 것으로서 출력하도록 수정될 수 있다.
일부 구현예들에서, 증폭기는, 증폭기의 광학 셋업을 변하지 않게 유지하는 동안 반복율이 변경될 때, 증폭기에서 증폭 늘림 펄스들의 왕복 횟수들을 변경하도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 증폭기는 1미터 미만의 말단 미러간 겹쳐진 광 경로를 갖는다.
일부 구현예들에서, 증폭기는 공동 덤프형(dumped) 재생 증폭기, 처프 펄스 증폭기 또는 Q-스위칭 증폭기이다.
일부 구현예들에서, 증폭기는, 스위칭 가능 편광자가 증폭 늘림 펄스들의 편광을 조정하는 편광-조정 상태와 스위칭 가능 편광자가 필수적으로 증폭 늘림 펄스들의 편광을 조정하지 않은 편광-미조정 상태 사이를 스위칭함으로써 늘림 펄스들을 선택할 수 있는 말단 미러들 사이의 광 경로에 스위칭 가능 편광자를 포함한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 평광-미조정 상태로부터 5나노초, 4나노초 또는 3나노초 미만의 상승 시간으로 편광-조정 상태로 스위칭하도록 스위칭 가능 편광자를 제어하는 고전압 출력 스위치를 포함할 수 있다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 펨토초 펄스들의 레이저 빔의 제 1 반복율을 1-120초, 10-60초 및 20-50초 중 하나의 이내의 제 2 반복율로 변경한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 펨토초 펄스들의 레이저 빔의 제 1 반복율을 1μs - 1s 범위의 변경 시간이내에서 제 2 변경율로 변경한다.
일부 구현예들에서, 증폭기는 집속 미러의 촛점의 근접한 부근에 배치되는 적어도 하나의 집속 미러 및 레이저 크리스탈을 포함한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 레이저 엔진의 반복율이 둘 다의 값이 10㎑-2㎒의 범위인 제 1 값으로부터 제 2 값으로 변경된 때, 출력된 레이저 빔의 직경이 10% 및 20% 중 하나 보다 적을 만큼 변경하거나, 또는 출력된 레이저 빔의 중심이 빔 직경의 20% 및 40% 중 하나 보다 적을 만큼 이동하도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 레이저 빔의 펨토초 펄스들은 1-100μJ/pulse, 10-50μJ/pulse, 또는 20-30μJ/pulse 중 하나의 범위의 에너지를 갖는다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 0.1W, 1W 또는 10W 중 하나보다 큰 출력을 갖는 레이저 빔을 출력한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 안과 수술 시스템의 부분이다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진으로 레이저 빔을 생성하는 방법은 다음 단계들을 포함한다: 발진기로 1000펨토초 미만의 지속 기간을 갖는 시드 펄스들의 빔을 생성하는 단계; 펄스 늘림기로 시드 펄스들의 지속 기간을 늘리는 단계; 증폭 늘림 펄스들을 생성하기 위해 증폭기로 선택된 늘림 시드 펄스들의 진폭을 증폭하는 단계; 펄스 압축기로 증폭 늘림 펄스들의 지속기간을 1,000 펨토초 미만까지 압축하는 단계; 1,000펨토초 미만의 펄스 지속기간 및 10㎑-2㎒ 범위의 제 1 반복율을 갖는 펨토초 펄스들의 레이저 빔을 출력하는 단계; 레이저 엔진의 광 셋업을 필수적으로 변경하지 않으면서 반복율을 제 1 반복율로부터 10㎑-2㎒ 범위의 제 2 반복율로 변경하는 단계; 및 제 2 반복율과 1,000펨토초 미만의 펄스 지속기간을 갖는 펨토초 펄스들의 레이저 빔을 출력하는 단계.
일부 구현예들에서, 증폭하는 단계는, 증폭기의 분산 보상기를 이용하여 증폭기의 광 컴포넌트에 의해 야기된 증폭 늘림 펄스들의 분산을 감소시키는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 분산을 감소시키는 단계는, 증폭기의 적어도 하나의 처프 미러에 의해 보상 분산을 도입하는 단계를 포함하되, 여기서 보상 분산은 왕복에 따라 분산 보상기 이외의 증폭기의 모든 광학 소자들에 의해 도입된 분산에 필수적으로 동일한 크기 및 반대 부호이다.
일부 구현예들에서, 반복율을 변경하는 단계는, 필수적으로 증폭기의 광학 셋업을 변경되지 않게 유지하면서 증폭기의 왕복 횟수들을 변경하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 늘리는 단계 및 압축하는 단계는, 동일한 늘림-압축기에 의해 실행된다.
일부 구현예들에서, 제 1 반복율을 갖는 레이저 빔을 출력하는 단계를 종료한 이후 1-120초, 10-60초 또는 20-50초 중 하나 이내의 제 2 반복율을 갖는 레이저 빔을 출력하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 반복율을 제 1 반복율로부터 1μs - 1s 범위내에서 변경 시간의 제 2 반복율로 변경하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은, 1000펨토초 미만의 펄스 지속기간을 갖는 펄스된 광빔을 생성하는 발진기; 광빔의 펄스들의 지속기간을 늘리는 늘림-압축기; 및 증폭 늘림 펄스들을 생성하도록 늘림 광 펄스들의 진폭을 증폭하는 증폭기를 포함하되, 여기서 늘림-압축기는 증폭 늘림 펄스들의 지속기간을 압축하고, 그리고 레이저 펄스들의 빔을 출력하며; 그리고 레이저 엔진은, 레이저 엔진의 모든 광학 소자들의 동일한 셋업을 필수적으로 이용하여, 10㎑-2㎒ 범위의 제 1 반복율 및 후속적으로 10㎑-2㎒ 범위의 제 2 반복율을 갖는 레이저 펄스들의 빔을 출력하도록 동작하며, 여기서 레이저 펄스들의 지속기간은 제 1 및 제 2 반복율들에 대하여 1000펨토초 미만이다.
일부 구현예들에서, 증폭기는 증폭기의 광학 소자들에 의해 도입된 분산을 적어도 부분적으로 보상하는 분산 보상기를 포함한다.
일부 구현예들에서, 증폭기는 스위칭 가능 편광자가 증폭 늘림 펄스들의 편광을 조정하는 상태; 및 스위칭 가능 편광자가 5나노초, 4나노초 및 3나노초 중 하나 보다 작은 상승 시간을 갖는 증폭 늘림 펄스들의 편광을 조정하지 않는 상태 사이를 스위칭하는 증폭기의 말단 미러들사이에 스위칭 가능 편광자를 포함한다.
일부 구현예들에서, 증폭기는 집속 미러 촛점에 근접하게 위치되는 적어도 하나의 집속 미러; 및 이득 크리스탈을 포함한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 60초, 1초 및 10μs 중 하나 보다 작은 시간에서 제 1 반복율 및 제 2 반복율 사이를 스위칭한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은, 펨토초 시드 펄스들을 출력하는 발진기; 시드 펄스들의 지속기간을 늘리는 늘림기; 증폭기로서, 늘림 시드 펄스들을 증폭 늘림 펄스들로 증폭하고, 그리고 상기 증폭기의 광학 소자들에 의해 유도된 증폭 늘림 펄스들의 분산을 보상하도록 분산 보상기를 포함하는, 상기 증폭기; 및 증폭 늘림 펄스들을 수신하고, 증폭 늘림 펄스들의 지속기간을 압축하고, 그리고 펨토초 펄스들의 레이저 빔을 출력하는 압축기를 포함한다.
일부 구현예들에서, 가변 반복율 레이저 엔진은 Q-스위칭 공동 덤프형 재생 증폭기; 2개의 말단 미러들을 포함하는 증폭기를 포함하되, 여기서 레이저 엔진은 펨토초 레이저 펄스들을 출력하고; 그리고 말단 미러들 사이의 광 경로의 길이는 2미터 미만이다.
일부 구현예들에서, 말단 미러들 사이의 광 경로의 길이는 1미터 미만이다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 증폭기에 전송되는 시드 펄스들을 생성하는 발진기를 포함하되, 여기서 시드 펄스들의 양자들이 발진기에서 생성된 지점으로부터 레이저 엔진이 레이저 펄스들을 출력하는 지점까지의 총 자유 공간 광 경로 길이의 길이는 500미터, 300미터, 및 150미터 중의 하나보다 작다.
일부 구현예들에서, 증폭기의 공동의 모든 엣지 크기들은 1미터 또는 0.5미터 중 하나보다 작으며, 여기서 증폭기의 공동은 증폭기의 모든 광학 소자들을 수용한다.
일부 구현예들에서, 증폭기의 차지하는 공간(footprint)은 1m2 또는 0.5m2 중 하나보다 작다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 처프 체적형 브래그 격자를 포함하는 늘림-압축기를 포함한다.
일부 구현예들에서, 증폭기는 증폭기의 광학 소자들에 의해 도입된 분산을 보상하는 분산 보상기를 포함한다.
일부 구현예들에서, 증폭기는 레이저 발진 펄스들의 진폭을 증폭하는 레이저 크리스탈; 및 증폭기 내부에 공진 광 경로를 겹치게 하는 2개의 접이식 미러들을 포함하되, 여기서 2개의 말단 미러들 및 2개의 접이식 미러들 중 적어도 하나는 처프 미러이다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 반복율 범위의 제 1 반복율; 및 후속적으로 레이저 엔진의 모든 광학 소자들의 동일한 셋업을 필수적으로 이용하는 반복율 범위의 제 1 반복율을 갖는 레이저 빔을 출력하도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 제 1 및 제 2 반복율들은 10㎑-2㎒, 50㎑-1㎒, 또는 100㎑-500㎑ 중 하나의 범위내에 든다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 제 1 반복율이 60초, 1초 및 1μs 중 하나보다 작은 시간의 제 2 반복율로 변경가능하도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 증폭기는 스위칭 가능 편광자가 증폭 펄스들의 편광을 조정하는 상태; 및 스위칭 가능 편광자가 필수적으로 증폭 펄스들의 편광을 조정하지 않는 상태 사이에 5ns, 4ns 또는 3ns중 하나 보다 작게 스위칭하는 말단 미러들 사이를 스위칭하는 스위칭 가능 편광자를 포함한다.
일부 구현예들에서, 증폭기는 집속 말단 미러 촛점의 근접한 부근에 위치되는 적어도 하나의 집속 말단 미러, 및 레이저 크리스탈을 포함한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 펌토초 시드 펄스들의 빔을 생성하고 출력하는 발진기; 시드 펄스들의 지속기간을 늘리는 늘림-압축기; 및 늘림-압축기로부터 늘림 시드 펄스들을 수신하고, 증폭 늘림 펄스들을 생성하기 위해 선택된 늘림 시드 펄스들의 진폭을 증폭하고, 그리고 증폭 늘림 펄스들의 레이저 빔을 출력하는 증폭기를 포함하되; 여기서 늘림-압축기는 증폭 늘림 펄스들의 레이저 빔을 수신하고, 증폭 늘림 펄스들의 지속기간을 압축하고, 그리고 1,000펨토초 미만의 펄스 지속기간을 갖는 펨토초 펄스들의 레이저 빔을 출력하고; 여기서 시드 펄스들의 양자들이 발진기에서 생성되는 지점으로부터 레이저 엔진이 레이저 펄스들을 출력하는 지점까지의 광 경로 길이의 길이는 500미터 미만이다.
일부 구현예들에서, 광 경로의 길이는 300미터 미만이다.
일부 구현예들에서, 가변 반복율 레이저 엔진은 펨토 시드 펄스들의 빔을 생성하고 출력하는 발진기; 시드 펄스들의 지속기간을 늘리는 늘림-압축기; 및 증폭 늘림 펄스들을 생성하기 위해 선택된 늘림 시드 펄스들의 진폭을 증폭하는 처프 펄스 증폭기를 포함하되; 여기서 증폭기는 5ns 미만의 스위칭 시간을 갖는 스위칭 가능 편광자; 증폭 늘림 펄스들의 지속기간을 펨토초 값들까지 압축하며; 그리고 레이저 엔진은 1m2이하의 면적을 점유한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 수술 레이저 시스템의 일부이고, 이 수술 레이저 시스템은 레이저 엔진 및 수술 레이저 시스템의 톱 데크상에 이미징 시스템을 갖는다.
일부 구현예들에서, 가변 반복율 레이저 엔진은 펨토 시드 펄스들의 빔을 생성하고 출력하는 발진기; 시드 펄스들의 지속기간을 늘리는 통합된 늘림-압축기; 및 증폭 늘림 펄스들을 생성하기 위해 선택된 늘림 시드 펄스들의 진폭을 증폭하는 Q-스위칭 공동 덤프형 재생 증폭기를 포함하되; 여기서 늘림-압축기는 펨토초 레이저 펄스들을 출력하기 위해 증폭 늘림 펄스들의 지속기간을 압축하며, 그리고 레이저 엔진의 광학 소자들 갯수는 75 미만이다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진의 광학 소자들의 갯수는 50 미만이다.
일부 구현예들에서, 발진기 이외의 부분들에서 레이저 엔진의 광학 소자들 갯수는 50 미만이다.
일부 구현예들에서, 발진기 이외의 부분들에서 레이저 엔진의 광학 소자들 갯수는 35 미만이다.
일부 구현예들에서, 광학 소자는 다음 중 하나이다: 미러, 렌즈, 평행 플레이트, 편광자, 격리기, 임의 스위칭 가능 광학 소자, 굴절 소자, 투과 소자, 또는 굴절 소자.
일부 구현예들에서, 광학 소자는 공기로부터 들어오고 그리고 공기로 방출되는 광을 갖는다.
일부 구현예들에서, 통합된 늘림-압축기는 처프 체적형 브래그 격자를 포함한다.
일부 구현예들에서, 증폭기는 증폭기의 광학 소자들에 의해 도입된 분산을 보상하는 분산 보상기를 포함한다.
일부 구현예들에서, 증폭기는 공진 공동을 한정하는 2개의 말단 미러들; 및 증폭기 내부에서 공진 광 경로를 겹치게 하는 2개의 접이식 미러들을 포함하되, 여기서 2개 말단 미러들 및 2개의 접이식 미러들 중 적어도 하나는 처프 미러이다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 제 1 반복율의 반복율 범위; 및 후속적으로 레이저 엔진의 모든 광학 소자들의 동일한 셋업을 필수적으로 이용하는 제 1 반복율의 반복율 범위를 갖는 레이저 빔을 출력하도록 구성되며, 여기서 제 1 및 제 2 반복율들은 10㎑-2㎒, 50㎑-1㎒, 또는 100㎑-500㎑ 중 하나 범위 내이다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 제 1 반복율이 1초 미만의 변경시간의 제 2 변경율까지 변경 가능하도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 증폭기는, 스위칭 가능 편광자가 증폭 늘림 펄스들의 편광을 조정하는 상태; 및 스위칭 가능 편광자가 필수적으로 증폭 늘림 펄스들의 편광을 조정하지 않는 상태 사이에서 5ns, 4ns, 및 3ns 중 하나 보다 작게 스위칭할 수 있는 말단 미러들 사이에 스위칭 가능 편광자를 포함한다.
일부 구현예들에서, 증폭기는 집속 미러의 촛점의 근접한 부근에 위치되는 적어도 하나의 집속 미러 및 레이저 크리스탈을 포함한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은, 펨토초 시드 펄스들의 빔을 생성하고 출력하는 발진기; 시드 펄스들의 지속기간을 늘리는 늘림-압축기; 및 늘림-압축기로부터 늘림 시드 펄스들을 수신하고, 증폭 늘림 펄스들을 생성하기 위해 선택된 늘림 시드 펄스들의 진폭을 증폭하고, 그리고 증폭 늘림 펄스들을 출력하는 증폭기를 포함하되; 여기서 늘림-압축기는 증폭 늘림 펄스들을 수신하고, 증폭 늘림 펄스들의 지속기간을 압축하고, 그리고 1,000 펨토초 미만의 펄스 지속기간을 갖는 펨토초 펄스들의 레이저 빔을 출력하고; 여기서, 발진기 이외의 다른 부분들에서 레이저 엔진의 광학 소자들 갯수는 50 미만이다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진의 광학 소자들 갯수는 75 미만이다.
일부 구현예들에서, 레이저 시스템으로 스캐닝하는 방법은, 레이저 엔진으로 가변 반복율을 갖는 레이저 펄스들을 생성하는 단계; 스캐닝 레이저 전달 시스템을 이용하여 표적 영역에서 촛점에 레이저 펄스들을 집속하는 단계; 스캐닝 레이저 전달 시스템을 이용하여 표적 영역의 촛점을 스캐닝 속도로 스캐닝하는 단계; 스캐닝 속도를 변경하는 단계; 및 반복율 제어기를 이용하여 변경된 스캐닝 속도에 따라 반복율을 조정하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 생성하는 단계는, 발진기에 의해 펨토초 시드 펄스들을 생성하는 단계; 늘림-압축기에 의해 시드 펄스들을 늘리는 단계; 증폭기에 의해 선택된 늘림 시드 펄스들을 증폭 늘림 펄스들로 증폭하는 단계; 및 증폭 늘림 펄스들을 늘림-압축기에 의해 펨토초 레이저 펄스들로 압축하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 방법은, 표적 영역에서 레이저 생성 버블 밀도를 선택된 값 주위로 대략 유지하도록 반복율을 조정하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 버블 밀도는 선형 밀도, 면적 밀도 또는 체적 밀도 중 하나이다.
일부 구현예들에서, 반복율을 조정하는 단계는, 스캐닝 속도에 비례하게 반복율을 조정하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 반복율을 조정하는 단계는, 1μsec-1sec의 범위의 시간내에서 제 1 값으로부터 제 2 값으로 조정하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 촛점을 스캐닝하는 단계는, 최소 가속 경로를 따라 초점을 스캐닝하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 방법은, 스위치백 경로를 따라 촛점을 XY 스캐닝하는 단계; 및 경로의 스위치백 부분에 접근하는 때 반복율을 감속하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 방법은 나선형을 따라 레이저 빔을 스캐닝하는 단계; 및 스캐닝이 나선형의 중심에 접근할 때 반복율을 감속하는 단계를 포함한다.
*일부 구현예들에서, 반복율을 조정하는 단계는, 변경중인 스캐닝 속도의 감지, 그리고 프로세서 또는 메모리로부터 변경중인 스캐닝 속도에 관한 전자 정보 획득, 및 변경된 스캐닝 속도에 관한 수신 정보에 따라 반복율 조정 중 하나에 의해 변경된 스캐닝 속도에 관한 반복율 제어기에 의한 정보를 수신하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 가변 반복율 레이저 스캐닝 시스템은, 펨토초 속도 펄스들의 빔을 생성하고 출력하는 발진기; 속도 펄스들의 지속기간을 늘리고, 증폭기로부터 증폭 늘림 펄스들을 수신하고, 증폭 늘림 펄스들의 지속기간을 압축하고, 그리고 반복율을 갖는 펨토초 펄스들의 레이저 빔을 출력하는 늘림-압축기; 늘림-압축기로부터 늘림 시드 펄스들을 수신하고, 증폭 늘림 펄스들을 생성하기 위해 선택된 늘림 시드 펄스들의 진폭을 증폭하고, 그리고 늘림-압축기쪽으로 증폭 늘림 펄스들을 출력하는 증폭기; 및 광파괴의 스폿들을 생성하도록 가변 스캐닝 속도로 표적 영역에서 레이저 빔의 촛점을 스캐닝하는 스캐닝 광학계를 포함하되; 여기서 레이저 스캐닝 시스템은 사전 결정된 밀도 프로파에 따라 광파괴의 스폿들을 생성하도록 반복율을 변경한다.
일부 구현예들에서, 증폭기는 증폭 늘림 펄스들의 분산을 감소시키는 분산 보상기를 포함한다.
일부 구현예들에서, 증폭기는 증폭기에서 늘림 펄스들의 편광 평면을 회전시키는 스위칭 가능 편광자를 포함하되, 여기서 스위칭 가능 편광자의 상승 시간은 5ns, 4ns, 또는 3ns의 하나 보다 작다.
일부 구현예들에서, 레이저 스캐닝 시스템은 스위칭 가능 편광자로 하여금 5ns, 4ns, 및 3ns 중 하나 보다 작은 상승 시간으로 스위칭하도록 스위칭 가능 편광자에 제어 신호들을 인가하는 제어 전자 장치를 포함한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진으로 스캐닝하는 방법은, 반복율로 펨토초 레이저 펄스들을 생성하는 단계; 광파괴의 스폿들을 생성하도록 표적 영역에서 촛점에 레이저 펄스들을 집속하는 단계; 스캐닝 속도로 표적에서 촛점을 스캐닝하는 단계; 및 밀도 프로파일에 따라 광파괴의 스폿들을 생성하도록 스캐닝 동안 반복율을 조정하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 조정하는 단계는 선형 스폿 밀도, 면적 스폿 밀도 및 체적 스폿 밀도 중 하나가 표적 영역에서 필수적으로 균일하게 유지되게 광파괴의 스폿들을 생성하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 조정하는 단계는 스캐닝 속도의 변동에 따라 반복율을 조정하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 조정하는 단계는 스캐닝 속도에 비례하게 반복율을 조정하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 반복율을 조정하는 단계는 1μsec - 1sec의 범위의 시간내에서 제 1 값으로부터 제 2 값으로 반복율을 조정하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 생성하는 단계는 발진기에 의해 펨토초 시드 펄스들을 생성하는 단계; 증폭기에 의해 선택된 늘림 시드 펄스들을 증폭 늘림 펄스들로 증폭하는 단계; 및 늘림-압축기에 의해 증폭 늘림 펄스들을 펨토초 레이저 펄스들로 압축하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 촛점을 스캐닝하는 단계는 최소 가속 경로를 따라 촛점을 스캐닝하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 방법은, 스위치백 경로를 따라 촛점을 스캐닝하는 단계; 및 경로의 스위칭백 부분을 접근할 때 반복율을 감속하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 방법은 나선형을 따라 레이저 빔을 스캐닝하는 단계; 및 나선형의 중심에 접근하는 스캐닝에 따라 반복율을 감속하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 방법은, 라인의 끝과 라인의 코너 중 하나에 따라 레이저 빔을 스캐닝하는 단계; 및 라인의 끝 및 라인의 코너에 접근하는 스캐닝에 따라 반복율을 감소하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 방법은 스캐닝 속도에 관한 저장 또는 감지된 정보를 수신하는 단계, 및 스캐닝 속도에 관한 수신 정보에 따라 반복율을 조정하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 방법은 표적 영역에 관한 감지 또는 이미징된 정보를 수신하는 단계, 및 표적 영역에 관한 수신된 정보에 따라 반복율을 조정하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 레이저 엔진은 펨토초 시드 광학 펄스들을 출력하는 발진기 및 증폭 광학 펄스들을 생성하기 위해 시드 광학 펄스들을 증폭하는 증폭기를 포함할 수 있다. 이러한 증폭기는 시드 광 펄스들을 수신하고 순환시키기 위해 연결된 광공동, 및 수신 시드 광 펄스들의 광을 광 공동으로의 연결을 제어하고, 그리고 증폭기의 출력광으로서 광공동 내부의 광을 바깥으로의 연결을 제어하기 위해 광공동에 연결된 광 스위치 디바이스를 포함한다. 광 스위치 디바이스는 증폭기에 의해 생성된 증폭 광학 펄스들의 반복율을 제어 및 조정하도록 광공동내부에 연결된 광의 왕복 횟수들을 제어 및 조정하도록 구성된다. 또한, 증폭기는 시드 광펄스들을 증폭 광펄스들로 증폭하기 위해 광공동 내부의 광학 이득 매체, 및 증폭기에 의해 유도된 증폭 광펄스들의 분산을 보상하기 위해 광공동 내부의 분산 보상기를 포함한다. 레이저 엔진은 각 시드 광펄스가 증폭기에 연결되기 전에 시드 광펄스들의 지속기간을 늘리기 위해, 그리고 증폭 광펄스들을 생성하기 위해 증폭기에 의해 출력된 증폭 광펄스들의 지속기간을 압축하도록 증폭기 바깥에 하나 이상의 광학 소자들을 포함한다. 레이저 엔진은 증폭기에 의해 유도된 증폭 광펄스들의 분산을 보상하기 위해 제공된 증폭기 바깥에 분산 보상 디바이스에서 자유롭도록 구성될 수 있다.
또 다른 구현예들에서, 펌토초 광펄스들을 생성하기 위해 레이저 엔진을 동작하는 방법은 각 펄스에서 감소된 광출력으로 늘림 시드 광펄스들을 생성하기 위해 펨토초 시드 광펄스들을 늘리는 단계; 및 증폭 늘림 광펄스들을 생성하기 위해 각 늘림 시드 광펄스의 광출력을 증폭하기 위해 늘림 시드 광펄스들을 광증폭기의 광공동으로 연결하는 단계를 포함한다. 광증폭기 내부에서, 광보상기는 각 광펄스에 분산 보상을 제공하기 위해 사용되며, 여기서 광 보상기는 증폭기의 광공동내부의 1회 광왕복내에서 증폭기에 의해 유도된 분산에 반대 부호이고 그리고 실질적으로 동일한 크기를 도입하도록 구성되며, 이는 분산 보상기에 의해 야기된 분산을 배제한다. 이러한 방법은 늘림 시드 광펄스들의 광을 광공동으로의 연결 및 증폭 늘림 광펄스들의 광을 광공동밖으로의 연결을 제어하기 위해 광공동으로 연결된 광 스위치 디바이스를 동작하는 단계; 레이저 엔진의 출력으로 압축 증폭 광펄스들을 생성하기 위해 광공동으로부터의 증폭 늘림 광펄스들의 펄스 지속기간을 압축하는 단계; 및 증폭기에 의해 유도된 분산을 보상하기 위해, 증폭기 내부에 위치되는 분산 보장 디바이스를 사용하지 않으면서, 압축 증폭 광펄스들의 펄스 반복율을 제어 및 조정하도록 광공동내부에 왕복 횟수들을 제어 및 조정하도록 광 스위치 디바이스를 동작하는 단계를 포함한다.
도 1a-1b는 고출력 펨토초 레이저 엔진(1)의 2개 실시예들을 예시한다.
도 2는 고출력 펨토초 레이저 엔진(1)의 실시예를 더 상세하게 예시한다.
도 3a는 레이저 펄스를 처핑(chirping)하는 개념을 예시한다.
도 3b는 늘림기(200') 및 압축기(400)의 예를 예시한다.
도 3c는 통합된 늘림-압축기(200)의 구현예를 예시한다.
도 4는 증폭기(300)의 실시예를 예시한다.
도 5a-5b는 레이저 공동의 증폭-이득-덤프(pump-gain-dump) 사이클을 예시한다.
도 6a-6d는 불변 및 가변 반복률을 갖는 스캐닝 수술 패턴들을 예시한다.
도 7a-7b는 증폭기(300)에 있어서 레이저 크리스탈(310)의 2가지 상이한 온도들에서 열 렌징(lensing)에 관련한 디자인 도전들을 예시한다.
도 7c-7d는 감소된 열 렌징를 갖는 증폭기(300)의 2가지 구현예를 예시한다.
도 8은 동작 온도 함수로서 빔 광 출력의 의존성을 예시한다.
도 2는 고출력 펨토초 레이저 엔진(1)의 실시예를 더 상세하게 예시한다.
도 3a는 레이저 펄스를 처핑(chirping)하는 개념을 예시한다.
도 3b는 늘림기(200') 및 압축기(400)의 예를 예시한다.
도 3c는 통합된 늘림-압축기(200)의 구현예를 예시한다.
도 4는 증폭기(300)의 실시예를 예시한다.
도 5a-5b는 레이저 공동의 증폭-이득-덤프(pump-gain-dump) 사이클을 예시한다.
도 6a-6d는 불변 및 가변 반복률을 갖는 스캐닝 수술 패턴들을 예시한다.
도 7a-7b는 증폭기(300)에 있어서 레이저 크리스탈(310)의 2가지 상이한 온도들에서 열 렌징(lensing)에 관련한 디자인 도전들을 예시한다.
도 7c-7d는 감소된 열 렌징를 갖는 증폭기(300)의 2가지 구현예를 예시한다.
도 8은 동작 온도 함수로서 빔 광 출력의 의존성을 예시한다.
초기 펨토초 레이저들에서, 펄스 길이의 극단적인 단축은 결국 이들 펄스들에서 극단적인 고출력이 된다. 그러나, 이러한 고출력은 레이저들의 이득 매체를 손상할 정도로 위협한다. 솔루션은 처프 펄스 증폭(CPA: Chirped Pulse Amplification)의 형태로 도래하였다. 이러한 기술에서, 펨토초 시드 펄스들이 생성되고, 이후 시드 펄스들의 길이는 피코초 범위까지 10-1000배로 늘어나며, 따라서 이는 극적으로 한 펄스내의 출력을 감소시킨다. 이들 늘림 펄스들은 손상을 야기하는 것 없이 이득 매체로 안전하게 증폭될 수 있다. 증폭 다음에 압축이 이어지며, 이 압축은 증폭된 펄스들의 길이를 다시 펌토초까지 압축한다. 이러한 CPA 접근 방식은 오늘날 수많은 응용으로 도입되어 왔다.
그러나, CPA 레이저들은 약점들을 또한 갖는다. 일반적으로, 이들 레이저들은 다수의 광학 구성요소들을 가지며, 그리고 이에 부응하여 상당히 복잡하다. 이들 팩터들은 불량 빈도를 상당히 높이고 레이저들이 신뢰성 있게 스위칭 온 및 오프될 수 있는 횟수를 감소시킨다. 또한, 너무 큰 크기의 CPA 레이저들은 이들을 의료 디바이스들내로 통합하는 것을 매우 도전적으로 만드는데, 왜냐하면 이들은 일반적으로 수술 복장들 또는 수술실들의 한정된 공간들에서 사용되기 때문이다. 더욱이, 만일 상이한 절차들이 펄스들의 반복율을 변경할 것을 요구한다면, 이러한 변경은 많은 수의 광학 소자들의 시간 소모적 재조정들을 수행하는 것을 요구한다. 덧붙여, 열 렌징(thermal lensing)는 실질적으로 대부분의 CPA의 광학 성능에 영향을 끼치며, 이는 그들을 레이저의 가동 파워에 상당히 민감하게 만든다. 이러한 민감성은 반복율 변경들에 대하여 추가적인 장애물이다.
본 문서에 기술되는 펨토초 펄스 레이저들의 구성 및 동작에 대한 레이저 디자인들 및 기술들은 동일하게 다른 펨토초 펄스 레이저들에서의 다양한 기술적 논점들을 역시 해소하도록 구현될 수 있다.
도 1a는 처프(Chirped) 펄스 증폭(CPA), 또는 공동 덤프형(cavity dumped) 재생 증폭기(CDRA) 레이저 엔진(1)을 예시하며, 이 레이저 엔진(1)은 발진기(100), 늘림-압축기(200), 및 광 증폭기(300)를 포함한다.
발진기(100)는 펨토초 시드 펄스들의 빔을 생성하고 출력한다. 늘림-압축기(200)는 이들 시드 펄스들의 지속 기간을 늘릴 수 있다. 증폭기(300)는 늘림-압축기(200)로부터 늘림 시드 펄스들을 수신하고, 늘림 펄스들의 진폭을 증폭하고, 그리고 증폭 늘림(amplified stretched) 펄스들의 레이저 빔을 출력할 수 있다. 이들 증폭 늘림 펄스들은 광학적으로 다시 늘림-압축기(200)와 연결될 수 있으며, 늘림-압축기(200)는 증폭 늘림 펄스들의 지속 기간을 단축하여 펨토초 펄스들의 레이저 빔을 출력할 수 있다.
도 1b는 또 다른 CPA 레이저 엔진(1')의 예를 예시하며, 여기서 광 발진기(100') 및 광 펄스 늘림기(200')로부터 흐름 아래쪽의(downstream) 광 증폭기(300')는 증폭 늘림 펄스들을 별도의 압축기(400)와 광학적으로 연결할 수 있으며, 이 압축기(400)는 증폭 늘림 펄스들을 압축하여 펨토초 펄스들의 레이저 빔을 출력할 수 있다.
레이저 엔진들(1 및 1')의 설명은 많은 제어 기능들 및 방법의 단계들을 포함한다. 이들 기능들 및 단계들은 하나 이상의 제어기들, 프로세서들 및 다른 컴퓨터-제어기들에 의해 제어될 수 있다. 이들 제어기들, 프로세서들 및 컴퓨터-제어기들은 고급 소프트웨어를 이용할 수 있으며 서로 상호작용한다. 표현의 명확화를 위해, 이들 프로세서들, 제어기들 및 그들의 상응하는 소프트웨어는 본 특허 문서의 도면들에서 나타나지 않았지만, 그러나 일부 구현예들에서 레이저 엔진들(1 및 1')의 설명의 일부가 되는 것으로 의도된다.
본 출원의 수개의 예시들이 백내장 수술, 수정체낭절개 또는 각막 수술과 같은 안과 응용들의 견지에서 기술될지라도, 레이저 엔진(1)의 구현예들은 현저하게 광범위한 응용들에서 이용될 수 있으며, 이러한 응용들은 망막 및 각막 수술과 같은 폭 넓은 안과 수술, 뿐만 아니라 피부과 및 치과 응용들, 다른 외과적 응용들, 및 다양한 재료 미세가공 응용들을 포함하며, 이 재료 미세 가공 응용들은 레이저 광파괴 또는 일부 다른 레이저 활용 프로세서를 이용하여 하나의 재료를 성형한다.
위에 지시한 바와 같이, 일부 처프 펄스 증폭 CPA/CDRA 레이저 엔진들의 다양한 단점들이 있다. 레이저 엔진(1)의 실시예들은 다음의 디자인 원리들뿐만 아니라 다른 디자인 고려들의 일부 또는 모두를 사용함으로써 이들 문제점들에 대한 해결책들을 제공하도록 구성될 수 있다:
(1) 많은 레이저들은 가령 백가지 이상의 많은 개수의 광학 소자들을 가지며, 이는 이들 디자인을 복잡하고 비싸게 만든다. 이와 관련해서, 레이저 엔진(1)의 실시예들은 전부 합쳐 겨우 50개의 광학 소자들만을 가질 수 있고, 그리고 발진기(100)이외에 단지 35개의 광학 소자를 가질 수 있다.
(2) 많은 개수의 광학 소자들 및 대응하는 복잡성을 갖는 레이저들은 높은 빈도의 불량들을 가질 수 있다. 일부 CPA/CDRA 레이저들에서, 불량 확률은 레이저가 "사이클링"된 이후, 즉 30-40회 스위칭 온 및 오프된 이후, 상당히 높을 수 있다. 이러한 시스템들은 레이저의 표준 동작 동안 실제 불량이 발생하는 것을 회피하기 위해 30-40 스위칭 사이클들 이후 예방적인 유지보수(maintence)를 요구할 수 있다.
이와 관련해서, 많이 줄어든 개수의 광학 소자들 및 신규한 분산 제어 솔루션들로 인해, 레이저 엔진(1)의 실시예들이 표준 동작 기대치로 100, 200회 이상 사이클링될 수 있으며, 따라서 이는 요구되는 서비스의 빈도를 크게 감소시키고 총 신뢰성을 증가시킨다.
(3) 일부 CPA/CDRA 레이저들의 해당하는 큰 물리적 넓이 및 긴 왕복 지속 기간은 미만에서 기술되는 바와 같이 긴 재충전 시간들이 되며, 따라서 이는 그들의 반복율들뿐만 아니라 공간 제한 수술 디바이스들에서 사용될 그들의 유용성을 제한한다.
이와 관련하여, 레이저 엔진(1)의 실시예들은 간결한 공진 공동을 가질 수 있으며, 이는 일부 실시예들에서는 1미터 그리고 다른 실시예들에서는 2미터 보다 짧은 말단 미러간 광 경로를 갖는다. 또한, 간결성은 레이저 엔진(1)의 높은 반복율들에 기여하는 팩터이고, 이는 300, 500 또는 심지어 1,000㎑만큼 높을 수 있다.
위의 간결성은 이들 레이저들의 높은 반복율에도 불구하고 150미터만큼 낮게 되기 위해 광양자 발생점으로부터 출구점까지 측정되는 공동에서의 왕복들을 모두 포함하는 총 광 경로를 의미한다.
(4) 일부 CPA/CDRA 레이저들은 특정한 반복율에서 동작하도록 미세하게 조정될 수 있다. 이러한 조정은 압축기(200/400)에 의해 특정 반복율로 늘림기(200) 및 증폭기(300)의 분산을 보상하는 것과 관련될 수 있다. 그러나, 만일 응용이 반복율의 변경을 요구한다면, 늘림기 및 증폭기는 이러한 새로운 반복율에서 상이한 분산을 야기하며, 이는 CPA/CDRA 레이저의 미세하게 조정된 분산-보상을 뒤집는다. 이러한 변경된 분산을 보상하기 위해, 일반적으로 늘림기(200) 및 압축기(200/400)의 광학 소자들은 시간-소모적인 절차로 재조정될 필요가 있다. 이러한 재조정은 안과 수술 절차의 시간 척도들 상에서 이들 CPA/CDRA 레이저들의 반복율을 변경하는 것을 기술적으로 성가시게 한다. 그러므로, 대부분의 상업적인 안과용 CPA 레이저들은 가변적인 반복율 기능성을 제공하지 않으며, 그리고 수술 절차중 변경가능한 반복율도 제공하지 않는다.
이와 관련하여, 레이저 엔진(1)의 실시예들은 증폭기(300)에 의해 야기된 레이저 빔의 분산을 감소하고 그리고 심지어 최소화할 수 있는 분산 제어기 또는 분산 보상기를 포함할 수 있다. 이러한 분산의 최소화는 레이저 엔진(1)의 광학 소자들의 시간 소모적인 재조정없이도 반복율의 변경을 허용한다. 그러므로, 분산 제어기의 포함은 시간 민감성 수술 절차 동안 반복율을 변경하는 것을 가능하게 한다. 일례가 백내장 수술에 대해서 제 1 반복율을 그리고 수정체낭절개 또는 각막 수술에 대해서 제 2 반복율을 사용하는 것이다. 잘 알려진 바와 같이, 이들 수술들에서 시간 팩터는 상당히 결정적이다.
(5) 일부 경우들에서, 레이저 빔이 고정 반복율들을 가질 때 수술 절차내에서 비균일한 밀도를 갖는 레이저 스폿들을 위치시키기 위해 절단-패턴들이 사용될 수 있다. 예시들은 래스터(laster) 또는 스캐닝 패턴의 전환점 주위에서, 또는 좁아지거나 넓어지는 나선형으로 스캐닝 속도를 낮추는 것을 포함한다.
이와 관련하여, 레이저 엔진(1)의 실시예들은 필수적으로 연속적으로 조정가능한 반복율을 가지도록, 그리고 스캐닝 속도의 변동들을 보상하기 위해 변경중인 스캐닝 속도와 거의 동기화되게 반복율을 조정하도록 구성될 수 있으며, 이는 거의 불변의 밀도 또는 사전결정된 밀도 프로파일에 따라 레이저 스폿들의 형성을 허용한다.
(6) 덧붙여, 열 렌징은 일부 CPA/CDRA 레이저들의 광학 성능에 부정적으로 영향을 미치며 그리고 이들 레이저들을 레이저 빔의 출력 및 반복율에서의 변경들에 대해 바람직하지 않게 민감하게 한다. 이와 관련하여, 레이저 엔진(1)의 실시예들은 열 렌징 보상 기술들을 이용할 수 있으며, 이는 이들 실시예들이 인가된 레이저 빔의 출력 및 반복율에서의 변경들에 상당히 덜 민감하게 한다.
도 2는 레이저 엔진(1)의 특정 구현예를 상세하게 예시한다. 발진기(100)는 레이저 엔진(1)을 위해 시드 펄스들을 생성하고 출력할 수 있는 폭넓은 광 소스들일 수 있다. 예시들은 다이오드 펌핑형 섬유 발진기들을 포함한다. 발진기는, 예를 들면 808nm 파장에서 동작하는 GaAs 다이오드와 같은 단일 다이오드 또는 매우 다양한 다른 다이오드들을 포함할 수 있다.
섬유 발진기들은 자유 공간 빔 전파에 기반된 발진기들보다 훨씬 작다. 수술실의 혼잡이 압박하는 제한인 수술 응용들에서, 레이저 엔진의 공간적 넓이 감축은 매우 높이 평가되는 디자인의 특징이다.
일부 예시들에서, 발진기는 고품질의 시드 펄스들을 출력한다. 수개의 팩터들인 이후 상세하게 기술되는 바와 같이 고 펄스 품질에 기여할 수 있다.
(i) 일부 실시예들에서, 다이오드는 다이오드내부에 있는 체적형 브래그 격자와 같은 주파수 안정화 바를 포함할 수 있다. 이러한 격자들은 펄스들에 낮은 잡음 및 고 펄스간 안전성을 제공할 수 있다. 섬유는 Nd 또는 Yb로 도핑된 유리로 형성될 수 있다.
(ii) 발진기(100)는 반도체 포화 흡수 미러, 즉 SESAM(SEmiconductor Saturable Absorber Mirror)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 SESAM들을 이용하는 것은 생성된 펄스들 내에서 모드들의 간섭성(coherence)를 향상시키며, 이는 결과적으로 필수적으로 모드-잠금 동작이 된다.
위 디자인 원리들을 갖는 발진기는 필수적으로 예를 들면 가우시안 모양을 갖는 변환 제한 시드 펄스들을 출력할 수 있다. 일부 예시들에서, 플랫 탑 펄스들이 또한 생성될 수 있다. 펄스 지속기간은 1,000 펨토초들(fs) 미만일 수 있다. 일부 구현예들에서, 펄스 지속기간은 50-1,000 펌토초 범위내일 수 있으며, 일부 다른 실시예들에서 100-500 펨토초 범위내일 수 있다. 시드 펄스 주파수, 또는 반복율은 10-100㎒ 범위내일 수 있으며, 일부 다른 실시예들에서 20-50㎒범위내일 수 있다. 그러나 10 또는 20㎒ 미만으로 시드 펄스 주파수를 줄이는 것은 일련의 디자인의 힘든 도전들을 야기한다. 이러한 이유로, 대부분의 발진기들은 20㎒ 초과의 주파수들에서 동작한다.
시드 펄스들의 빔 출력은 10-1000㎽ 범위내일 수 있고, 다른 실시예들에서 100-200㎽ 범위내일 수 있다.
많은 타이밍 고려들을 위해, 발진기(100)는 마스터 클럭으로서 사용될 수 있다.
늘림-압축기(200)는 펄스의 상이한 주파수-성분들을 위해 상이한 지연 시간들을 도입함으로써 시드 펄스들을 늘릴 수 있다. 간단히 말해, 늘림-압축기는 분산 또는 처프를 도입할 수 있다.
도 3a는 이러한 처프를 상세하게 예시한다. 늘림-압축기(200)는 주파수 콘텐트, 또는 스펙트럼이 펄스의 지속기간 대부분에 걸쳐 대략 균일하거나, 또는 "화이트"를 갖는 짧은 펄스를 수신할 수 있다. 달리 말하면, 펄스의 시작에서 상이한 주파수 성분들의 진폭은 대략 균일하며, 그리고 펄스의 지속기간 동안 이런 채로 남아있다. 늘림-압축기(200)는 이러한 "화이트" 펄스들의 적색, 녹색 및 청색 성분들을 위해 상이한 지연 시간들을 도입함으로써 펄스 길이를 늘일 수 있다. 그러므로, 늘림-압축기(200)에 의해 출력된 펄스의 주파수 컨텐트(frequency content), 또는 스펙트럼은 시간 의존적일 수 있다. 일반적인 규칙에 따르면, 전단 부분은 적색 주파수들로 특색지워지며 반면에 말단 부분은 청색 주파수들로 특색지워지는 펄스들은 양의 분산 또는 처프를 갖는 것으로 언급된다.
본 발명은 시간 영역의 처프, 즉 고 및 저주파수 성분들의 상대적인 지연과 관련된다. 공간 처프, 즉 빔내에서 공간적으로 고 및 저주파수 성분들의 분리는 다양한 추가적인 디자인 도전들을 야기하며 그리고 늘림기(200') 또는 늘림-압축기(200)의 원하는 기능성들 중에 없다.
늘림-입축기(200) 또는 늘림기(200')는 펄스의 전단 부분의 적색 콘텐트를 향상시킴으로써, 그리고 펄스의 후단 부분의 청색 콘텐트를 향상시킴으로써 초기 화이트 시드 펄스들에 양의 처프를 도입할 수 있다. 유사하게, 비-화이트 펄스들도 또한, 늘림-압축기(200) 또는 늘림기(200')에 의해 처프될 수 있다.
늘림-압축기(200)는 펨토초 시드 펄스들의 지속기간을 50 - 1,000 펨토초의 범위로부터 1,000-200,000 펨토초, 또는 1-200 피코초 또는 심지어 500ps 까지의 늘어난 지속기간으로 연장할 수 있다. 늘림-압축기(200)는 펨토초 시드 펄스들의 지속기간을 10배 초과로 늘릴 수 있다. 일부 경우들에서, 늘림 팩터는 102,103,104 또는 105보다 클 수 있다. 이들 늘림 팩터들 각각은 증폭기(300)에 대하여 상이한 디자인 기준을 도입한다.
도 3b는 도 1b에 도시된 타입의 레이저 엔진들(1')이 늘림기(200') 및 별도의 압축기(400)를 이용할 수 있음을 예시한다. 늘림기(200')는 제 1 격자(201), 렌즈(202), 제 2 격자(203), 및 미러(204)를 포함할 수 있다. 짧은 펄스(211)가 늘림기(200')에 들어가면, 제 1 격자(201)는 상이한 주파수 성분들을 상이한 방향으로 굴절시킬 수 있다. 제 1 격자(201)를 벗어나면, 발산(diverging) 광선들은 렌즈(202)로 전파되어 제 2 격자(203)로 재지향될 수 있다. 일부 실시예들은 렌즈(202)대신에 2개의 렌즈들을 사용할 수 있다. 제 2 격자(203)가 제 1 격자(201)과 각을 만들고 그리고 상이한 주파수 광선들은 분산 방향들로 전파되기 때문에, 상이한 주파수 성분들은 상이한 거리들로 이동하는데, 이는 이렇게 하기 위해 상이한 시간들을 요구한다.
예를 들면, 도 3b의 늘림기(200')에서, 스펙트럼의 청색 영역의 주파수들을 갖는 성분들은 적색 영역의 성분들보다 더 먼 거리를 이동하는데, 이는 입사하는 짧은 펄스의 적색 성분에 상대적으로 지연을 획득한다. 여기 및 전체에 걸쳐, 용어들 "청색" 및 "적색"은 예시적이고 상대적인 방식으로 사용된다. 이들은 각각 더 짧은 및 더 긴 파장들을 갖는 펄스 스펙트럼의 성분들을 나타낸다. 특별한 구현예들에서, 레이저 평균 파장은 1000-1100nm이고 그리고 펄스의 대역폭은 2-50nm의 범위 내일 수 있다, 일부 경우들에서 5-20nm의 범위내에 있다. 이러한 예에서, 펄스의 전체 스펙트럼은 적외선 영역에 있다. 이 예시에서, 용어들 "청색" 및 "적색"은 펄스의 대역폭 내에서 각각 더 짧은 및 더 긴 파장들을 갖는 적외선 스펙트럼의 부분들을 나타낸다.
제 2 격자(203)의 기능들은 처프의 부분 제어, 즉 적색 성분에 상대적으로 청색 성분의 지연뿐만 아니라 미러(204)에 의해 반사에 적합하게 만들기 위해 필수적인 병렬 빔에 대한 빔의 복원을 포함한다. 미러(204)는 주파수 분리 병렬 광선들을 반사하며, 이 광선들은 이후 제 2 격자(203), 렌즈(202) 및 제 1 격자(201)를 통하여 그들의 광 경로를 되돌아간다. 펄스가 제 1 격자(201)를 벗어날 때쯤, 펄스의 청색 성분은 상당히 더 먼 거리를 이동하고 그리고 따라서 적색 성분에 뒤처진다.
이러한 지연은 출력된 펄스에 관해 적어도 3가지 영향을 미친다: (i) 펄스 길이는 상당히 더 길어지며, (ii) 상이한 주파수-성분들의 진폭들은 시간상으로 서로 상대적으로 시프트되며, 즉 적색 성분들은 펄스의 전단 엣지(edge)로 시프트되고, 그리고 청색 성분들은 말단 엣지로 시프트되거나, 또는 그 역도 마찬가지며, (iii) 펄스의 총 에너지는 더 긴 펄스 길이에 걸쳐 분포되는데, 이는 출력된 펄스의 광 출력을 감소시킨다. 일부 경우들에서, 펄스 지속기간은 100, 1000배 또는 그 초과로 늘어날 수 있으며, 출력은 대응적으로 100, 1000배 또는 그 초과로 감소될 수 있다. 말하자면, 늘림-압축기(200) 또는 늘림기(200')는 펄스를 늘릴 수 있고, 양의 처프를 도입하며 그리고 그에 의해 실질적으로 펄스의 출력을 감소시킬 수 있다.
앞서 기술된 바와 같이, 펄스의 피크 출력을 감소시키는 것은 후속하는 증폭기(300)의 공동 광학계가 과도한 고 출력의 펄스에 노출되지 않고 따라서 빔에 의해 손상되는 것을 피하게 하므로 CPA/CDRA 레이저들의 유리한 측면이다.
또한, 도 3b는 압축기(400)의 예를 예시하며, 이는 제 3 격자(205), 제 4 격자(207) 및 미러(208)를 포함할 수 있다. 일부 예시들은 이들 격자들 사이에 렌즈를 갖지 않으며, 반면에 다른 예시들은 하나 또는 2개의 렌즈들을 가질 수 있다. 제 3 격자(205)는 다시 늘림기(200')의 제 1 격자(201)와 유사하게 펄스 스펙트럼의 상이한 성분들을 상이한 방향들로 지향시킨다. 제 4 격자(207)는 다시 부분적으로 제 2 격자(203)와 유사하게 그 방위를 통하여 청색 및 적색 성분들의 상대적인 지연들을 제어한다. 그러나, 제 4 격자(207)가 이제 제 2 격자(203)과 반대로 대향하게 되므로, 청색 성분들의 광 경로는 이제 더 짧아지는데, 이는 음의 처프를 야기한다. 이러한 음의 분산은 늘어난 펄스의 청색 성분들이 적색 성분들을 따라 잡는 것을 허용하는데, 이는 수백 피코초들부터 수백 펌토초들까지 증폭 늘림 펄스들의 총 지속기간을 단축시킨다. 별도의 늘림기들(200') 및 압축기(400)를 이용하는 디자인들이 도 1b의 레이저 엔진(1')의 실시예들이다.
도 3b는 또한 별도의 늘림기(200') 및 압축기(400)를 갖는 도 1b의 디자인들의 2가지 민감한 측면들을 예시한다.
(i) 첫째로, 늘림기(200'), 증폭기(300) 및 압축기(400)는 서로 미세 조정될 필요가 있으며, 따라서 압축기(400)는 늘림기(200')에 의해 야기된 늘림 및 증폭기 (300)에 의해 야기된 후속하는 분산을 높은 정확도로 원상태로 돌릴 수 있다. 그러므로, 렌즈(202)의 위치 및 제 1 내지 제 4 격자들(201 - 207)의 배향성을 셋팅하는 것은 증폭 늘림 펄스들의 분산을 보상하고 그리고 펨토초 펄스들로 다시 이들을 압축하기 위해 필수적으로 높은 정확도를 요구할 수 있다. 그리고 물론, 높은 정확도 조정들은 혼란들(perturbations)에 매우 민감하다: 온도의 미소 변화들, 왕복 횟수, 및 기계적 응력은 정확도 조정을 손상시킬 수 있는데, 이는 도 1b의 아키텍처를 갖는 레이저 엔진(1')의 유지보수 및 재-교정을 요구한다.
(ii) 일부 복잡한 또는 다단계 절차에서, 반복율의 변경은 바람직할 수 있다. 그러나, 이러한 반복율의 변경은 일반적으로 출력된 펄스들을 최적화하기 위해 왕복 횟수의 변경을 동반한다. 결국, 왕복 횟수의 변경은 종종 열 렌징에서의 변화뿐만 아니라 증폭기(300)에 의해 야기된 복합 분산(compounded dispersion)을 야기한다. 그러므로, 반복율의 변경 및 왕복 횟수는 늘림, 분산 및 압축의 주위 깊게 교정된 밸런스를 뒤집을 수 있다.
이들 변화들을 없애기 위해, 도 3b의 화살표로 도시된 바와 같이, 레이저 엔진(1')의 일부 구현예들은 렌즈(202)의 위치, 격자들(201, 203, 205 및 207) 중 일부의 배향성 또는 위치, 미러들(204 및 208)의 위치, 또는 하나 이상의 미러들을 움직임으로써 빔이 렌즈(202)에 부딪히는 위치를 변경시킴으로써 재교정될 수 있다. 말할 필요도 없이, 이들 변경들은 일반적으로 주위를 요하고 종종 반복적인 기계적 조정들 및 정확한 교정을 요구하며, 이들 모두는 시간 소모적인 개입이다.
재교정의 느림은 펄스 반복율의 시기 적절한 변경이 요구되는 응용들에서 문제가 있을 수 있다. 이는 필수적으로 시간이 결정적 팩터인, 예를 들면 안과 수술 응용들 동안, 환자가 눈 움직임을 제어하기 위한 능력이 90초만큼 느릴 수 있는 응용들에서 금지될 수 있다. 모든 이들 이유들로 인해, 대부분의 레이저 엔진들은 변경 가능한 반복율의 기능성을 제공하지 않는다.
덧붙여, 레이저 엔진(1')에서 늘림기(200')는 압축기(400)와 분리되고 이들 둘 다는 다수의 격자들 및 렌즈들을 포함하므로, 도 1b 타입의 레이저 엔진(1')의 늘림기 및 압축기의 공간 넓이는 일반적으로 공간적으로 상당히 넓을 수 있다.
늘림기(200') 및 압축기(400)의 공간적 차지하는 공간(footprint)을 감소시키기 위해, 뿐만 아니라 교정 시간을 감소시키기 위해, 레이저 엔진(1')의 일부 구현예들에서, 늘림기(200') 및 압축기(400)는 하나 이상의 광학 소자들을 공유할 수 있다. 일부 경우들에서, 이들 늘림기 및 압축기는 하나의 격자를 공유할 수 있는데, 이를 테면 제 1 격자(201) 및 제 3 격자(205)가 동일한 것일 수 있다.
일부 다수로 중복된 예시들에서, 늘림기(200')의 2개 격자들은 동일한 물리적 격자일 수 있으며, 렌즈들 및 미러들은 상이한 통과들 동안 상이한 방향들로부터 동일한 격자상에 빔을 지향시킨다. 일부 다수로 중복된 예시들에서, 2개 격자들의 늘림기(200) 및 2개 격자들의 압축기(400)의 모든 기능들은 하나의 공유 격자에 의해 실행될 수 있다.
도 3c는 도 1a의 늘림-압축기(200)의 예를 예시하며, 이는 이들 도전들에 대한 확고한 솔루션을 제공한다. 도 3c의 늘림-압축기(200)는 늘림 및 압축 기능성들을 통합하고, 따라서 이는 도 1a의 레이저 엔진(1)의 실시예에서 사용될 수 있다. 도 3c의 예에서 구현된 바와 같이, 이러한 늘림-압축기(200)는 처프 체적형 브래그 격자(CVBG: Chirped Volume Bragg Grating)이다. 이러한 CVBG는 예를 들면 광열 굴절(PTR: PhotoThermal Refractive) 유리의 레이어 스택일 수 있으며, 이 레이어들은 레이어들의 위치에 따라 변경되는 적합한 굴절율들 및 격자 기간을 갖는다. 이러한 디자인에서, 브래그 공명 조건은 펄스의 상이한 스펙트럼 성분들에 대하여 상이한 위치들에서 발생한다. 따라서, 상이한 스펙트럼 성분들은 상이한 위치들에서 반사되며, 이는 펄스내의 상이한 시간 지연들을 획득한다.
도 3c의 예에 도시된 바와 같이, 짧은 "화이트" 펄스(211)가 늘림-압축기(200)로 진입하는 때, 적색 주파수 성분들은 더 넓은 레이어 간극들 또는 격자 기간들을 갖는 가까운 영역들로부터 굴절되는데, 왜냐하면 그들의 파장이 더 길고 그리고 이들 가까운 영역들에서 브래그 반사 조건들을 만족하기 때문이다. 대조적으로, 더 짧은 파장들을 갖는 청색 주파수 성분들은 격자의 더 먼 영역들로부터 되돌아간다. 청색 성분들이 더 긴 광 경로를 횡단하기 때문에, 이들 청색 성분들은 적색 성분들에 상대적으로 지연을 획득한다. 따라서, 입력된 짧은 화이트 펄스(211)는 이러한 CVBG 늘림-압축기(200)에 의해 더 길게 늘어난 펄스(212)로 늘려진다. 특정예에서, 늘림 펄스(212)는 양의 처프를 생기게 하는데, 왜냐하면 청색 성분들은 적색 성분들에 상대적으로 지연되기 때문이다. 다른 구현예들은 음의 처프를 생성하는 CVBG를 가질 수 있는데, 이는 청색 스펙트럼 성분들에 상대적으로 적색 스펙트럼 성분들을 지연시킨다.
이러한 CVBG 늘림-압축기(200)는 또한 어떤 성가신 미세 조정 없이도 높은 정확도로 증폭 늘림 펄스들(213)을 압축할 수 있는데, 왜냐하면 증폭기(300)에 의한 증폭이후, 늘림 펄스들이 반대편 말단, 즉 압축기 포트로부터 동일한 CVBG 늘림-압축기(200)로 주입된다. 늘림 펄스가 반대편 말단으로부터 CVBG 늘림-압축기(200)에 진입되는 때, 그 적색 성분들은 그 청색 성분들이 늘림 단계 동안 지연되었던 것과 동일한 정도로 지연되며, 이는 펄스의 원래의 짧은 길이를 복원한다. 그러므로, 이러한 늘림-압축기(200)는 늘림 단계 동안 도입된 분산을 매우 효과적으로 보상하고 그리고 적절하게 압축된 증폭 펄스(214)를 출력할 수 있다.
별도의 늘림기(200') 및 압축기(400)를 구비하는 레이저 엔진들(1')의 특별한 측면들과 비교하며, (i) 레이저 엔진(1)은 그것이 아무것도 가지고 있지 않으므로 움직이는 광학 소자들의 정확한 정렬에 매우 민감하지 않으며, 따라서 기계적 혼란들 또는 동작 온도의 변화들에 대하여 현저한 강건성을 보여주며, 그리고 (ii) 증폭기(300)의 신규한 디자인이 수식들 (1)-(2) 및 도 5a-b와 관련하여 추가로 설명되는 바와 같이 왕복 횟수와 관련하여 추가적인 분산을 도입하지 않으므로, 레이저 엔진(1)은 반복율이 변경될 때 그 광학 소자들의 민감한 재교정과, 재-정렬 및 셋업을 요구하지 않는다. 이들 속성들은 반복율의 빠른 또는 적시의 변경이 중요한 응용들에서 레이저 엔진(1)의 사용을 가능하게 한다.
위에 기술된 것과 상이한 다른 디자인들에서, 증폭기(300)는 추가적인 분산을 도입할 수 있다. 이들 디자인들에서, 늘림-압축기(200)의 통합 아키텍처는 압축기가 늘림기의 분산을 압축할 뿐만 아니라, 증폭기(300)의 추가적인 분산을 압축해야 하므로 재조정 기능성이 보충될 수 있다. 이러한 추가된 작업이 압축기 기능성과 관련하여 조정 가능한 블럭의 구현을 요구할 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 레이저 엔진(1)은 효과적인 편광 빔 분리기(150)를 추가적으로 포함할 수 있다. 빔 분리기(150)는 발진기(100)와 늘림-압축기(200) 사이에 편광자 및 λ/4 플레이트를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 빔 분리기(150)는 박막 편광자일 수 있다. 이러한 결합(150)은 시드 펄스들을 발진기(100)로부터 늘림-압축기(200)로 통과시킬 수 있게 하지만, 그러나 늘림-압축기(200)로부터 되돌아오는 늘림 펄스들을 증폭기(300)쪽으로 재지향하는데, 왜냐하면 이중(double) 통과시 λ/4 플레이트가 90도만큼 펄스들의 빔의 편광 평면을 회전시키기 때문이다. 시드 펄스들의 편광 방향에 대하여는 투과성일지라도, 편광자는 늘림 펄스들이 2번째로 λ/4 플레이트를 지나간 후 이들 늘림 펄스들의 90도 회전 편광 평면에 대하여는 반사성이다.
일부 실시예들에서, 레이저 엔진(1)은 빔 분리기(150)와 증폭기(300) 사이의 광 경로에서 패러데이 격리기(500)를 포함할 수 있다. 패러데이 격리기(500)의 기능들은 발진기(100)에 대한 레이저 빔의 고 출력에 의한 손상을 방지하기 위해 증폭 빔으로부터의 발진기(100)의 격리를 포함할 수 있다. 이러한 패러데이 격리기(500)는 빔 분리기(150)로부터 늘림 시드 펄스들을 수신할 수 있고, 증폭기(300)쪽으로 늘림 시드 펄스들을 전송할 수 있으며, 증폭기(300)로부터 증폭 늘림 펄스들의 레이저 빔을 수신할 수 있고, 그리고 편광자들(550 및 560)을 통하여 늘림-압축기(200)쪽으로 증폭 늘림 펄스들의 레이저 빔을 출력할 수 있다.
패러데이 격리기들(500)은 증폭기(300)가 증폭 펄스들을 수신하는 동일한 경로를 통하여 이들 증폭 펄스들을 출력하는 실시예들에서 유용할 수 있는데, 왜냐하면 단순한 재지향 광학계는 증폭 펄스들이 종종 시드 펄스들의 출력 또는 세기보다 수백 또는 심지어 수 천배 큰 출력 또는 세기를 가지므로 격리 기능에 상당히 적합하지 않을 수 있기 때문이다. 비록 단순한 재지향 광학계가 이들 증폭 펄스들의 단편만을 통과시킬지라도, 전송된 펄스들은 여전히 발진기(100)를 손상시키기에 충분히 강할 수 있다.
일부 실시예들에서, 패러데이 격리기(500)는 증폭기(300)로부터의 레이저 빔의 1/10,000 부분 미만을 발진기(100)쪽으로 통과시키도록 구성될 수 있다. 동일한 격리 기능이 감쇠의 견지에서 획득될 수 있다: 패러데이 격리기는 예를 들면 40dB만큼 또는 일부 구현예에서는 50dB만큼 증폭 레이저 빔을 감쇠시킬 수 있다.
패러데이 격리기, 즉 편광 의존 격리기는 3개 부분들을 포함할 수 있다: 수직으로 편광되는 입력 편광자, 패러데이 회전자, 및 45도에서 편광하는 출력 편광자 또는 검광자.
전방향으로 이동하는 광은 예를 들면, 만일 그 방향에서 이미 편광되지 않았었다면, 입력 편광자에 의해 수직으로 편광된다. (여기서, 편광 평면은 전기장 벡터들이 놓이는 평면을 의미한다. 추가로, "수직"만이 관례적 또는 기준 평면을 확립한다. 다양한 실시예들에서, 실제 편광 평면은 다른 특정 방향들로 지향될 수 있다.). 패러데이 회전자는 약 45도 만큼 빔의 편광 평면을 회전시키며, 이는 검광자의 편광 평면과 빔의 편광 평면을 정렬시키며, 검광자는 이어서 광을 편광 평면의 추가적인 회전없이도 투과시킨다.
예를 들면 증폭기(300)로부터 되돌아오는 증폭 펄스와 같이, 후방향으로 이동하는 광은 검광자를 벗어난 이후, 기준 수직 평면에 상대적으로 45도로 편광된다. 패러데이 회전자는 다시 약 45도 만큼 편광을 회전시킨다. 그러므로, 입력 편광자 쪽으로 패러데이 회전자에 의해 출력된 광은 수평으로 편광된다. 입력 편광자가 수직으로 편광되므로, 수평으로 편광된 광은 발진기(100)로 그것을 투과하는 대신에 완벽에 가깝게 입력 편광자에 의해 반사될 것이다. 따라서, 패러데이 격리기(500)는 고 에너지로 증폭된 레이저 펄스들로부터 매우 효율적으로 발진기(100)를 보호할 수 있다.
패러데이 회전자는 일반적으로 광학축의 방향을 가리키는 자기장을 생성함으로써 그 기능을 달성한다. 일부 패러데이 회전자들은 이러한 기능성을 달성하기 위해 영구 자석들을 포함한다.
패러데이 회전자들에 사용되는 광학 재료들은 일반적으로 베뎃 상수(Verdet constant), 저 흡수 계수, 저 비선형 굴절율 및 고 손상 문턱값을 갖는다. 또한, 자기 집속 및 다른 열관련 효과들을 방지하기 위해, 광 경로는 일반적으로 짧다. 700-1100나노미터 범위에 대하여 가장 흔하게 사용되는 2가지 재료들은 테르븀 도핑 붕규산염 유리(Terbium doped borosilicate glass) 및 테르븀 갈륨 가네트 결정(TGG: Terbium Gallium Garnet crystal)이다.
증폭기(300)가 증폭 펄스들이 진입한 것과 동일한 광 경로를 경유하여 이 증폭 펄스들을 출력하지 하지 않는 레이저 엔진(1 또는 1')의 실시예들은 패러데이 격리기(500)를 사용할 필요는 없을 수 있다.
도 2 및 4는 패러데이 격리기(500)로부터 전송된 광이 증폭기(300)에 진입할 수 있음을 예시한다. 증폭기(300)는 말단 미러들(321 및 322) 사이에서 왕복하는 늘림 시드 펄스들을 증폭하기 위해 레이저 크리스탈, 즉 이득 매체(310)를 포함할 수 있다. 일부 증폭기들(300)은 겹쳐진 광 경로(즉 "z-공동")를 포함할 수 있으며, 이는 공진 공동의 공간 넓이를 감소시키기 위해 접이식 미러들을 이용하여 레이저 빔을 재지향한다. 도 4의 증폭기(300)는 4개의 미러들을 갖는다: 공진 공동을 한정하는 2개의 말단 미러들(321 및 322), 및 2개의 접이식 미러들(323 및 324). 일부 예시들에서, 광 경로는 심지어 그 자신 위에 겹쳐져서, 교차 패턴으로 보일 수 있다. 더 많은 접이식 미러들의 이용이 광 경로를 더 조밀한 공간으로 겹쳐지게 함으로써 증폭기(300)의 크기를 훨씬 더 감소시킬 수 있을지라도, 추가적인 미러들은 부정렬 가능성 및 가격을 증가시킬 수 있다.
레이저 크리스탈(310) 및 미러들(321-324)에 덧붙여, 증폭기(300)는 스위칭 가능 편광자(330)를 포함할 수 있으며, 이 스위칭 가능 편광자(330)는 품질 팩터(Q)를 제어하고 따라서 증폭기(300)의 증폭 기능뿐만 아니라 박막 편광자(340)를 제어할 수 있으며, 박막 편광자(340)는 공동에서 펄스들을 위한 입/출력 포트로서 기능한다. 박막 편광자(340)는 제 1 사전 결정된 편광과 직교인 제 2 편광으로 광을 투과하는 반면에, 제 1 사전 결정된 편광으로 광을 반사하는 편광 선택적 디바이스의 특정 예이다. 스위칭 가능 편광자(330)는 자신을 통과하는 광의 편광을 회전시키지 않은 때의 제 1 동작 상태와 자시에 인가된 제어 신호에 응답하여 광의 편광을 회전시키는 때의 제 2 동작 상태 사이에서 스위칭하는 편광 디바이스이다. 박막 편광자(340) 및 스위칭 가능 편광자(330)의 결합은 미만에서 설명하는 바와 같이, 패러데이 회전자(500)로부터 오는 펄스들이 증폭기(300)로 연결되는 때, 및 증폭기(300) 내부에서 증폭되는 펄스들이 증폭기로부터 밖으로 연결되는 때를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
도 4의 박막 편광자(340) 및 스위칭 가능 편광자(330)의 이러한 결합은 증폭기(300)의 공진 공동을 위한 광 스위치의 예이다. 또한, 다른 디자인들이 이러한 광 스위치를 위해 사용될 수 있다.
증폭기(300)의 동작 및 구조가 미만에서 더 상세하게 기술된다. 특히, 반복율의 변경은 종종 말단 미러들(321 및 322) 사이에 이루어지는 증폭 펄스의 왕복 횟수들을 변경하는 것을 동반함이 보여질 것이다. 방금 언급한 광 스위치의 기능은 펄스들이 공진 공동쪽으로 또는 밖으로 연결되는 때를 제어함으로써 이들 왕복 횟수들을 제어하는 것이다.
증폭기(300)의 광학 소자들은 이들 왕복들 각각 동안 일정한 분산량을 도입할 수 있다. 따라서, 반복율의 변경과 관련하여 증폭기(300)에서 왕복 횟수들의 변경은 증폭기(300)에 의해 출력된 증폭 펄스들의 누적적 분산을 변경시킨다. 비록 압축기(400)가 특정한 왕복 횟수들에 대해 분산을 보상하도록 조정될지라도, 왕복 횟수들의 변경으로부터 분산의 변경은 도 1b의 늘림기(200'), 증폭기(300) 및 압축기(400)의 늘림, 분산적인 증폭 및 압축에 대한 민감한 밸런스를 뒤집으며, 이는 긴 재교정을 요구한다. 심지어 도 1a의 통합된 늘림-압축기(200)를 이용한 레이저 엔진(1)의 더 창의력 있는 아키텍처도 왕복 횟수들이 변경될 때 조정되도록 보상 소자의 사용을 요구할 수 있다. 이러한 측면은 이들 레이저 엔진들의 유용성을 제한한다.
이들의 유용성을 넓히기 위해, 일부 레이저 엔진들은 증폭기(300)의 일부로서 분산 제어기 또는 보상기를 포함할 수 있다. 분산 제어기의 기능은 왕복 동안 증폭기(300)의 광학 소자들에 의해 도입된 분산에 필수적으로 동일한 및 반대의 분산을 도입하는 것이다. 이러한 분산 보상 또는 제어의 결과로서, 펄스들은 증폭기(300)의 공진 공동에서 왕복들 동안 분산 전혀 또는 거의 획득하지 못한다. 따라서, 왕복 횟수들을 변경하는 것은 증폭 펄스들의 분산을 미세한 정도로만 변경하거나 또는 전혀 변경하지 않는다.
그러므로, 레이저 펄스들의 반복율은 반복들 동안 보상하기 위해 어떤 분산도 축적하지 않으므로 필수적으로 압축기(400) 또는 늘림-압축기(200)의 광학적 셋업의 조정, 재정렬 또는 교정없이도 변동될 수 있다. 따라서, 분산 제어 증폭기(300)는 반복율 변경시 시간 소모적인 재정렬들의 작업으로부터 압축기(400)를 해방하도록 도 1b의 레이저 엔진(1')에서 구현될 수 있다. 더욱이, 이러한 분산 제어 증폭기(300)는 조정 가능한 보상 기능성들 없이도 도 1a의 레이저 엔진(1)에서 통합된 늘림-압축기(200)의 사용을 가능하게 한다.
예를 들면, 만일 레이저 크리스탈(310)이 공진 공동 내 레이저 발진 펄스(lasing pulse)의 왕복 동안 양의 분산을 도입하면, 분산 제어기는 레이저 발진 펄스의 분산을 억제, 최소화 또는 제거하기 위해 증폭 늘림 펄스들에 동일한 크기의 음의 분산을 도입할 수 있다.
분산을 정량화하기 위한 유용한 수단은 "그룹 지연 분산", 즉 GDD(Group Delay Dispersion)이고, 다음식과 같이 종종 정의된다:
여기서, λ는 광의 파장이고, ｃ는 광 속도가고, ｎ(λ)는 파장 의존 굴절율이고, 그리고 Ｌ은 공동에서 광 경로의 길이이다. 광학 소자들(310, 330 및 340), 미러들(321-324), 및 증폭기(300)에서 존재할 수 있는 임의의 다른 광학 소자의 GDD는 예를 들면 측정에 의해 결정될 수 있거나 또는 디자인으로부터 추론될 수 있다. GDD의 지식을 갖춤으로써, 분산 제어기는 증폭기(300)의 광학 소자들의 결정된 GDD와 대략 동일하고 반대의 값의 GDD를 갖는 공동에서 구현될 수 있다. 이렇게 디자인된 공동은 펄스들의 왕복들 동안 분산을 거의 생성하지 않거나 전혀 생성하지 않으며, 이는 기술된 문제점들을 제거하고 레이저 엔진들(1 또는 1')의 유용성을 넓힌다.
예시적인 실시예의 일반적인 CPA 레이저 엔진(1')에서, 500펨토초 시드 펄스는 늘림기(200')에 의해 200피코초만큼 늘려져 늘림 펄스 길이 200.5ps가 될 수 있다. 해당 압축기(400)는 늘림 펄스를 200ps 만큼 다시 압축하도록 조정되고 교정될 수 있으며, 이는 결과적으로 이상적으로는, 약 500fs의 압축 펄스 길이가 된다. 결함들로 인해, 현실적인 경우들에서 압축 펄스 길이는 500-800fs의 범위 내에 들게 될 수 있다.
그러나, 증폭기(300)의 공진 공동에서 늘림 펄스들의 왕복들 동안, 늘림 펄스들의 길이는 증폭기(300)의 다양한 광학 소자들의 분산에 의해 향상될 수 있으며, 공동의 GDD로 표현된다. GDD의 일반적인 값들은 수백의 fs2내지 수십만의 fs2으로 다양할 수 있다. 일부 경우들에서, GDD는 5,000fs2 - 20,000fs2의 범위 내에 있을 수 있다. 일반적으로 늘림기(200) 및 보상기(400)가 펄스 길이에 대한 서로의 영향을 상쇄하므로, 레이저 엔진(1)에 의해 출력된 펄스의 길이 Δt(out)는 다음 관련식을 통해 발진기(100)에 의해 생성된 시드 펄스의 길이 Δt(seed), 및 GDD와 관련된다:
여기서 N은 공동에서 왕복 횟수이다.
따라서, 예를 들면, Δt(seed)=200fs 시드 펄스의 길이는 7,000fs2의 GDD를 갖는 증폭기의 광학 소자들에 의해 단일 왕복 동안 22fs만큼 증가하여 Δt(out)=222fs가 될 수 있다. 그러나, 반복되는 왕복들 동안 이러한 외관적으로 적은 분산이 혼합된다. N=10 왕복후 출력된 펄스의 길이는 약 790fs만큼 증가하여 Δt(out)=990fs가 될 수 있으며, 그리고 N=30 왕복후 약 2,700fs만큼 증가하여 Δt(out)=2,920fs가 될 수 있으며, 그리고 N=100 왕복후 약 9.5ps만큼 증가하여 Δt(out)=9.7ps가 될 수 있다. 명백하게, 분산 제어 증폭기(300)없이도, 이러한 약 50배까지 펄스 길이의 실질적 열화가 레이저를 펨토초 레이저로부터 피코초 레이저로 변형시킨다.
더욱이, 응용이 왕복 횟수를 N=100으로부터 예를 들면 N=110으로 변경을 요구하는 때 비록 압축기(200 또는 400)가 예를 들면 N=100 왕복에 대응하는 9.5ps 분산과 같이 특정 왕복 횟수에 의해 야기된 추가적인 분산을 보상하도록 교정될지라도, 또 다른 1ps 분산이 증폭기(300)에 의해 유도되며, 이는 결과적으로 다시 펨토초 대신에 피코초의 압축 펄스 길이가 된다.
대조적으로, 레이저 엔진(1 또는 1')의 실시예들은 공진 공동의 광학 소자들에 의해 야기된 GDD를 보상하기 위해 증폭기(300)내에 분산 제어기를 가질 수 있다. 이러한 분산 제어기는 증폭기의 광학 소자들에 의해 유도된 왕복 분산 당 극히 적은 fs를 보상할 수 있다. 따라서, 증폭기(300)는 200ps 펄스 길이를 갖는 늘림 펄스들을 수신할 수 있고 필수적으로 동일한 200ps 펄스 길이를 갖는 증폭 펄스들을 방출할 수 있으며, 대략 왕복 횟수와 무관하게 증폭기는 동작하며, 그 횟수는 50, 100, 200 또는 500인 것으로 하자. 그러므로, 레이저 엔진(1)의 늘림-압축기(200), 또는 레이저 엔진(1')의 압축기(400)는 증폭기(300)내에 본(present) 분산 제어 또는 보상을 결여한 다른 레이저 시스템들의 시간 소모적 재조정 및 교정의 필요로 하지 않고 넓은 범위의 왕복 횟수 N에 대하여 그리고 이에 따른 넓은 범위의 반복율들에 대하여 펨토초 범위로 펄스 길이를 다시 압축할 수 있다. 증폭기(300) 내의 분산 제어기는 증폭기(300)의 내부 광 경로에 있고, 이에 따라 자동적으로 광 증폭기(300)의 바깥에 있는 광학 소자들의 재조정을 요구할 필요없이 GDD/분산을 자동적으로 보상한다. 증폭기(300) 내의 분산 제어기의 적절한 디자인을 통해, 펄스 반복율을 변경하기 위해 재조정되도록 도 3b의 분산 보상 격자들과 같은, 광학 증폭기의 밖에 조정가능 분산 소자들을 가질 필요성이 제거될 수 있다.
위의 디자인의 고려들에 의해 가능하게 되므로, 레이저 엔진들(1 또는 1')은 필수적으로 발진기(100)의 광학 소자들이외 다른 레이저 엔진의 모든 광학 소자들의 동일한 셋업으로 10㎑ - 2㎒범위의 반복율들을 갖는 1000펨토초 미만의 펄스 지속기간을 갖는 레이저 빔을 생성할 수 있다. 다른 실시예들은 50㎑ - 1㎒범위의 반복율을 가지고 동작할 수 있으며, 다른 실시예들은 100㎑ - 500㎑범위의 반복율로 동작할 수 있다.
그러므로, 이들 레이저 엔진들에서, 반복율은 발진기(100) 이외 다른 레이저 엔진의 광학 소자들의 셋업을 변경하는 것 없이도 제 1 값으로부터 제 2 값으로 변경될 수 있다.
그 제 1 값으로부터 제 2 값으로 반복율들의 변경이 광학 소자들의 셋업의 변경을 동반하는 레이저 엔진들이 있을 수 있다. 그러나, 이들 레이저 엔진들 중 일부는 그들의 증폭기 내부의 분산 보상 또는 제어에 기반하여 개조가능할 수 있으므로 따라서 개조된 레이저 엔진들은 또한 개조되지 않은 셋업으로 제 2 반복율을 갖는 레이저 빔을 출력하도록 동작될 수 있다.
레이저 엔진(1)의 다양한 구현예들에서, 반복율은 제 1 값으로부터 제 2 값으로 변경될 수 있으며, 여기서 제 2 반복율은 적어도 10%, 50%, 100% 또는 200%만큼씩 제 1 반복율과 상이하다.
공진 공동이 광섬유들을 사용하는 일부 디자인들에서, 반복율의 조정은 또한 후속하는 압축기(400)를 되돌리고 그리고 조정하는 것 없이도 가능할 수 있다. 그러나, 이들 섬유 레이저들은, (i) 펄스들의 에너지에 관한 심각한 제한들을 가지며, 그리고 (ii) 종종 분산 제어기들을 가지지 않는다. 이들 섬유 레이저들은 일반적으로 섬유 공동을 손상시키는 위험을 피하기 위해 펄스당 10 마이크로 주울(μＪ) 미만의 에너지를 갖는 펄스들만을 생성한다. 미만에서 기술되는 바와 같이, 많은 안과 및 외과 수술 응용들에 대하여, 펄스 당 이러한 에너지는 불충분할 수 있는데, 왜냐하면 이들 응용들은 다양한 손실들로 인해 레이저에 의해 출력되는 30 또는 그 초과의 μＪ/pulse 을 의미하고, 표적상에서 20μＪ/pulse 이상을 요구할 수 있기 때문이다.
또 다른 차이점은 섬유 레이저들에서 열적 부하 변동 때문에 레이저의 반복율이 변경되는 때 빔의 발산이 불가피하게 변경된다는 것이다.
대조적으로, 증폭기(300)는 일반적으로 분산 제어기 또는 보상기를 포함하며, 광은 자유 공간으로 전파되므로 따라서 레이저 엔진(1 또는 1')의 일부 예들은 1-100 μＪ/pulse의 범위의 에너지를 갖는 레이저 빔을 출력하도록 동작할 수 있고, 다른 예들은 10-50 μＪ/pulse의 범위의 에너지를 갖는 레이저 빔을 출력할 수 있고, 또 다른 예들은 20-30 μＪ/pulse의 범위의 에너지를 갖는 레이저 빔을 출력할 수 있다.
일부 레이저 엔진들(1 또는 1')은 반복율의 변경이 레이저 엔진(1)의 광학 소자의 조정을 동반하도록 구성될 수 있다. 그러나, 분산 제어기의 존재때문에, 심지어 이들 실시예들에서 레이저 엔진(1 또는 1')은 반복율이 변경되는 때 광학 소자들의 동일한 셋업을 필수적으로 이용하도록 개조될 수 있다.
위에 기술된 예들은 많은 상이한 방법들로 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광 증폭기 내부의 분산 제어기 또는 보상기는 입사광의 분산을 변경할 수 있는, 하나 이상의 처프 미러들, 처프 섬유들, 다양한 처프 격자, 처프 투과성 광학 소자들, 프리즘들, 및 다른 광학 소자들을 포함할 수 있다.
일반적으로, 처프 광학 소자들은 변조된 광학 특성들을 갖는 다수의 레이어들을 가질 수 있다. 예시들에서, 레이어들의 두께 및 그들의 굴절율의 변동은 상이한 파장을 갖는 광을 상이하게 제어하도록 디자인될 수 있다. 일례에서, 처프 체적형 브래그 격자(CVBG)는 늘림-압축기(200)와 관련하여 이미 기술되었다. 다른 예시들에서, 이를 테면 처프 미러들은 유전성 재료의 레이어들을 포함할 수 있으며, 여기서 각 단일의 유전성 레이어 또는 레이어들의 짧은 스택은 협소한 부근의 특정 파장을 반사할 수 있다. 처프 미러는 제 1 파장의 부근에 있는 파장을 갖는 광을 반사하기에 적합한 두께를 갖는 5-10 유전성 레이어들의 제 1 스택을 형성함으로써 구성될 수 있다. 이후, 제 2 파장 등의 부근에 있는 파장을 갖는 광을 반사하도록 5-10 유전성 레이어들의 제 2 스택이 상이한 두께 및/또는 굴절율을 갖는 제 1 스택의 상단에 형성될 수 있다. 적절한 개수의 스택들에서 충분한 수의 레이어들로 형성될 때, 처프 미러는 선택된 파장들 대역의 파장 성분들을 갖는 광을 반사할 수 있고, 반면에 다른 파장들을 갖는 광을 투과할 수 있다.
증폭기의 분산 제어 기능은 미러들(321-324) 중 하나 이상을 처프시킴으로써 실행될 수 있다. 도 4에서, 모든 4개의 미러들이 처프된다. 다른 디자인들은 미러들중 하나 또는 두 개만을 처프시킬 수 있다. 또 다른 디자인들은 하나 이상의 처프 광학 소자를 사용할 수 있다. 분산 제어기의 가능한 실현예들로서, 이들 하나 이상의 처프 미러들은 증폭기(300)의 공진 공동 내부의 증폭 늘림 레이저 펄스들의 왕복 동안 광학 소자들(310,330 및 340) 및 미러들(321-324)에 의해 유도된 분산을 제어, 보상, 최소화, 또는 심지어 제거할 수 있다.
레이저 크리스탈(310)은 Nd 또는 Yb계일 수 있다. 예시들은 Nd:YAG 및 Yb:YAG 크리스탈들을 포함할 수 있다. 다른 구현예들은 Nd 또는 Yb 도핑된 유리를 사용할 수 있다. 또 다른 구현예들은 Yb:폼 Yb의 텡스텐산염들:X(WO4)2 또는 Yb:폼Yb의 이삼산화물:X2O3을 사용할 수 있다. 이들 경우들에서, X은 Y, Lu, Gd 또는 다른 적합한 원소들이 될 수 있다. Nd 또는 Yb 도핑 레벨은 0.1 - 100%의 범위내일 수 있다.
레이저 크리스탈의 공간적 도핑 프로파일은 고품질의 단일 모드 레이저 펄스들의 고품질 방출을 보장하도록 선택될 수 있다. 일부 도핑 프로파일들은 펌핑 광의 보통 M2 배보다 크게 표현된 바와 같이 제한된 집속도를 갖는 펌핑 광 소스와 호환될 수 있다. 펌핑 소스는 측면 펌핑 또는 말단 펌핑 배열에 있을 수 있다. 펌핑 광 소스는 1-10W 전력으로 각각 방출하는 2-10개 다이오드들과 같은 다수의 섬유 결합 다이오드들을 포함할 수 있다. 펌핑 다이오드들은 필수적으로 연속파(CW) 동작 모드, 또는 유사 고주파 펄스 모드에서 동작할 수 있다. 그들은 상이한 공간적 어레이들, 바들 또는 다른 형태들로 배열될 수 있다. 다이오드들로부터의 광은 공유 격자를 통하여 가이드될 수 있으며, 이는 광의 매우 적은 퍼센트를 다이오드들로 반환할 수 있고, 따라서 그들의 광을 위상 고정할 수 있다.
도 4와 결합하여, 도 5a-5b는 공동 덤프형 재생 증폭기 CDRA(300)의 동작을 예시한다. 동작 원리는 종종 "Q-스위칭"으로 명칭되며, 이는 공진 공동의 품질 팩터 Q의 스위칭을 의미한다.
"재충전" 또는 "펌프" 단계에서, 박막 편광자(340)는 스위칭 가능 편광자(330)를 통하여 인입하는 광을 반사한다. 스위치 가능 편광자(330)는 셔터, 쵸퍼 휠, 회전 프리즘 또는 미러, 음향-광 디바이스, 포켈스(Pockels) 셀 또는 케르(Kerr) 셀과 같은 전자-광 디바이스, 또는 스위칭 가능 λ/4 파장-플레이트일 수 있다. 바이어스되지 않은 또는 저 전압 상태에서, 스위칭 가능 편광자(330)는 펄스들이 말단-미러(322)로부터 그리고 말단-미러(322)쪽으로 2회 통과함에 따라 90도 만큼 편광 평면을 회전시킬 수 있다.
재충전 또는 펌프 기간동안, 패러데이 격리기(500)는 박막 편광자(340)쪽으로 펄스들을 투과시켜, 이 박막 편광자(340)는 이들 펄스들을 스위치 가능 편광자(330)를 통해 재지향한다. 말단 미러(322)로부터 되돌아오는 펄스들은 두 번째로 스위칭 가능 편광자(330)를 지나게 된다. 이후 이들은 공동에서 1회의 왕복을 수행하는데, 이는 말단 미러(322)쪽으로 및 말단 미러(322)쪽으로부터 그 경로를 통해 2회 이상 스위칭 가능 편광자(330)를 통과한다. 1회 왕복이후, 스위칭 가능 편광자(330)를 통한 이들은 4회의 통과는 180도 만큼 펄스들의 편광 평면을 회전시킨다. 따라서, 이들 펄스는 증폭없이 필수적으로 박막 편광자(340)에 의해 공동으로부터 반사된다.
이러한 동일한 재충전 또는 펌프 기간에서, 스위칭 가능 편광자(330)에 의한 편광 평면의 90도 이중 통과 회전이 공진 공동의 품질 팩터 Q를 낮게 만들기 때문에, 증폭기(300)는 공동 내부의 펌핑 다이오드들에 의해 발생한 광의 레이저 발진 동작을 또한 억제하는데, 이는 공동이 레이저 발진 동작에 적합하지 않게 만든다.
도 5a는 이러한 재충전/펌프 단계에서, 레이저 크리스탈(310)이 측면 또는 말단 펌핑 배열내에서 위에 기술된 펌프 다이오드들로부터 광을 흡수하거나, 또는 레이저 다이오드들을 펌핑한다. 펌핑은 레이저 발진(lasing) 원자들의 여기된 에너지 레벨의 분포(population)를 증가시키거나 분포 반전을 생성하도록 합성하며, 이는 필수적으로 펌핑 에너지 즉 "이득"을 흡수하고 저장한다.
도 5b는 이러한 재충전/펌프 단계에서 어떤 증폭 레이저 펄스들도 증폭기에서 발생하지 않고 그리고 증폭기에 의해 방출됨을 예시한다. 물론, 거절된 증폭되지 않은 펄스들은 증폭기(300)에 의해 방출된다.
도 5a-5b는 펌프/재충전 단계가 사전 결정된 또는 레이저 크리스탈(310)에서 에너지 저장을 추적하는 감지 전자장치에 의해 유발된 타이밍 동작에 따라 종료할 수 있음을 예시한다. 각 경우에서, 시간 t(재충전)이후, 제어 및 구동기 전자 장치는 스위칭 가능 편광자(330)에 높은 전압을 인가하여 90도 만큼 편광 평면의 회전을 중지시킬 수 있다. 다른 타입들의 스위칭 가능 편광자(330)는 상이한 수단들에 의해 스위칭될 수 있다. 이러한 변경은 공동을 레이저 발진 동작에 적합하게 만들드록 충분히 높은 값으로 공동의 품질 팩터 Q를 스위칭한다.
증폭기(300)의 단일 펄스 실시예들은 단일 펄스가 공동 내부에서 그 왕복을 수행하는 동안 스위칭 가능 편광자(300)를 스위칭할 수 있다. 그 왕복의 끝에 단일 펄스는 스위칭된이후 스위칭 가능 편광자(300)로 되돌아갈 때, 펄스의 편광 평면은 더 이상 회전하지 않으며, 따라서 펄스는 박막 편광자(340)에 의해 공동으로부터 밖으로 반사되지 않는다. 펌프 단계 동안 거부되는 대신에, 펄스는 이득 기간 길이 t(이득) 동안 수개의 더 많은 왕복들을 위해 공동에 갇힐 수 있다. 도 5b에서, t(이득)의 시간 척도가 명확화를 위해 확대된다.
도 5a-5b는 이득 기간에서 공동에 펌핑되고 저장되는 에너지(즉, 이득)는 레이지 발진 동작을 시작하도록 유도 방출이라 불리는 프로세스를 통하여, 레이저 크리스탈(310)로부터 왕복을 행하는 펄스로 이동된다는 것이 예시된다. 따라서, 도 5a에 도시된 바와 같이, 공동의 에너지는 감소하고, 반면에 도 5b에 도시된 바와 같이, 레이저 발진 펄스의 에너지는 이득 프로세스에서 증가한다. 도 5b에서, t(이득) 간격에서의 피크들은 레이저 발진 펄스가 공동에서 특정 포인트를 지날 때 레이저 발진 펄스의 에너지를 나타내며, 반면에 입체 상승 곡선은 슬라이딩(sliding) 왕복 기간에 대하여 평균화된 에너지 이득을 나타내는 엔벨로프(envelope)이다.
공동에 단일 인입 펄스를 트래핑(trap)하는 구현예들이 단일 발진 펄스의 왕복들 동안 레이저 크리스탈(310)에 저장된 거의 모든 에너지를 그 단일 레이저 발진 펄스로 옮길 수 있음을 주목해야 한다. 대조적으로, 일부 구현예들은 공동으로의 다수의 펄스들을 허용할 수 있다. 그러나, 이들 예시들에서, 결과적인 레이저 빔은 펄스당 더 낮은 에너지를 가질 수 있는데, 따라서, 이는 관련 타입의 광파괴에 대하여 통상적이고 유리한 레벨들 미만으로 펄스당 에너지를 감소시킨다.
공동으로 펌핑된 에너지가 충분한 횟수들의 왕복 동안 높은 효율로 레이저 발진 펄스로 전이된 이후, 제어기-구동기 전자 장치는 스위칭 가능 편광자(330)에 높은 전압을 인가하는 것을 중지할 수 있으며, 이는 레이저 발진 펄스의 편광 평면의 회전을 재개하게 한다. 편광 회전의 재시작때문에, 이후 증폭된 레이저 펄스는 t(덤프)로 표기된 시간에, 다음 왕복의 끝에서 박막 편광자(340)에 의해 공동으로부터 밖으로 반사된다.
증폭 레이저 펄스들의 덤핑은 상이한 방식들로 제어될 수 있다. 일부 경우들에서, 왕복후 덤핑이 수행된 왕복 횟수들을 설정하기 위해 디자인 계산들 및 컴퓨터 방법들이 의지될 수 있다. 다른 경우들에서, 앞서의 교정이 왕복 횟수들을 설정하기 위해 사용될 수 있다. 또 다른 경우들에서, 폭넓은 다양한 센서들이 공진 공동의 광학 경로로 연결될 수 있다. 이러한 센서 또는 센서들은 증폭 레이저 발진 펄스들의 에너지가 사전 결정된 값에 도달하고 그에 따라서 공동을 덤핑하도록 제어기에 제어 신호를 송신할 때를 감지할 수 있다.
공동으로부터 증폭 레이저 펄스를 밖으로 반사시키고 그것을 압축기(400)쪽으로 투과하는 것은 덤프-이득-덤프 사이클을 완성한다. 일단 펄스-덤핑이 완료되면, 공동은 그 로우 Q 상태로 되돌아가며, 이는 펌프-이득-펌드 사이클을 새롭게 재시작시킨다. 일부 디자인들에서, 펄스-주입 포트 및 펄스-덤핑 포트는 상이할 수 있다. 도 4에서, 이들 포트들 양쪽 다는 박막 편광자(340)에서 구현될 수 있다.
일부 구현예들에서, 레이저 발진 펄스들은 레이저 크리스탈(310)의 펌핑된 상태로부터 레이저 발진 펄스로 에너지의 이동을 가능하게 하도록 50-500횟수의 왕복을 수행하고, 다른 예시들에서는 공동 내에서 100-200횟수의 왕복을 수행한다. 이전에 기술된 바와 같이, 발진기(100)는 10-200㎒의 범위내 일부 경우들에서는 20-50㎒의 범위내의 주파수를 갖는 시드 펄스열(seed pulse train)을 만들 수 있다. 일부 구현예들에서, 레이저 엔진(1 또는 1')은 10㎑ - 2㎒, 또는 50㎑ - 1㎒, 또는 100㎑ - 500㎑의 범위들내의 반복율을 갖는 레이저 펄스열을 출력한다. 따라서, 스위칭 가능 편광자(330)는 증폭을 위해 오로지 5번째 - 20,00번째 시드 펄스마다 트래핑(trapping)함으로써 인입 시드 펄스열을 열에 하나 꼴로 뽑는다(decimate). 이들 트래핑 시퀀스들의 타이밍은 마스터-클럭으로서 발진기(100)를 이용함으로써 제어될 수 있다.
반복율은 레이저 엔진의 중심 특징이다. 더 큰 다양한 기능성들이 만일 (1) 반복율이 주파수들 범위에서 가변될 수 있다면, 그리고 (2) 범위의 상한이 높으면, 달성될 수 있다. 예를 들면, 백내장 수술은 제 1 반복율에서 최적으로 수행될 수 있는 반면에 제 2 반복율이 각막 수술에 대하여 더 좋을 수 있다. 단일 레이저 엔진은 만일 레이저 엔진이 제 1 및 제 2 반복율 둘 다에서 동작하도록 조정될 수 있다면 이들 기능성들의 둘 다를 위해 사용될 수 있다. 그러므로, 레이저 엔진들(1 및 1')에서 반복율 가변하게 하고 그리고 범위의 상한을 높일 수 있는 다양한 디자인 고려들이 이후 리뷰될 것이다.
도 3b-3c 및 도 4에 관련하여 기술된 바와 같이, 미러들(321-324)중 임의 하나를 위해 처프 미러와 같이 증폭기(300)에서 분산 제어기의 사용은 공동에서 왕복 동안 증폭기의 광학 소자들에 의해 야기된 레이저 발진 펄스의 분산을 보상할 수 있다. 이러한 디자인 특징은 격자들(201,203,205 및 207), 렌즈(202) 및 미러들(204 및 208)과 같이, 늘림기(200) 및 압축기(200/400)의 광학 소자들의 교정, 정렬 또는 셋업을 변경하는 것 없이 레이저 엔진(1 또는 1')의 반복율을 변경하는 것을 허용한다.
광학 셋업을 수정하는 것 없이, 반복율 변경은 레이저 엔진(1)의 타이밍 및 동작을 수정하기 위한 전자 제어 신호들을 인가함으로써 달성될 수 있다. 예를 들면, 반복율은 반복 시간 t(rep) = t(재충전/펌프) + t(이득)를 감소시키기 위해 제어 신호들을 인가함으로써 증가될 수 있다.
일반적으로, t(rep)의 감소는 t(펌프) 및 t(이득) 둘 다를 감소시킴으로써 달성된다. 펌핑 시간 t(펌프)는, 예를 들면 펌핑 다이오드들/레이저들의 펌핑 세기를 증가시킴으로써 짧아질 수 있다. 이득시간 t(이득)은, 예를 들면 레이저 발진 펄스의 왕복횟수를 감소시킴으로써 짧아질 수 있다.
레이저 펄스의 에너지는, 예를 들면 왕복 당 에너지 이득을 증가시킴으로써 더 적은 횟수의 왕복들에도 불구하고 보존될 수 있다. 도 5b는 레이지 발진 펄스가 왕복당 공동별로 선택된 기준점을 통과할 때 이득 기간 동안 레이저 발진 펄스의 에너지의 증가를 예시한다. 후속 통과들에서 에너지들의 비율은 종종 ("소신호(small signal)") 이득 팩터 g에 의해 특징화된다. 이득 팩터 g는 레이저 크리스탈(310)의 여기된 또는 펌핑된 레벨에서 저장된 총 에너지에 민감하다. 저장된 에너지가 더 많을수록, g 팩터가 더 높다. 그러므로, 이득 매체(310)의 펌핑된 레벨에서 저장된 에너지를 증가시키기 위한 제어 신호들을 인가하는 것은 레이지 발진 펄스를 더 적은 왕복들에서 동일한 에너지에 도달하게 할 수 있으며, 따라서 이는 반복율을 증가시킨다.
반복율 범위의 상한은 더욱이 다양한 방법들에서 증가될 수 있다. 더 큰 이득 팩터 g를 이용한 실시예들에서 동일한 증폭을 달성하기 위해 더 적은 왕복들이 요구된다. 따라서, 일부 구현예들은 더 높은 이득 팩터 g를 갖는 레이저 크리스탈(310)을 사용함으로써 반복율의 높은 상한을 달성한다.
또한, 이득 팩터 g는 레이저 크리스탈(310)의 여기된 또는 펌핑된 레벨에서 저장된 총 에너지에 민감하므로, 더 많은 에너지로 여기된 레벨을 펌핑하는 것은 더 짧은 t(이득)를 달성하고 따라서 더 높은 반복율을 달성하기 위한 또 다른 방식이다.
반복율을 제어하는 또 다른 팩터는 1회 왕복이 요구하는 시간이다. 레이저 발진 펄스는 시간 간격들 2L/c의 기준점을 지나가며, 여기서 L은 공동에서 광 경로의 길이이고 그리고 c는 광 속도이다. 따라서, 일부 실시예들에서, 광 경로의 길이 L은 왕복의 시간을 감소시키기 위해 감소될 수 있다. 이들 구현예들에서, 동일한 왕복 횟수들 및 따라서 동일한 양의 에너지의 이동은 더 짧은 시간 t(이득)을 소요하고, 이는 또 다른 방식으로 반복율을 증가시킨다.
하나 이상의 위에 논의된 디자인 원리들을 구현하면, 레이저 엔진(1 또는 1')의 실시예들은 500㎑, 1㎒까지의 반복율로 동작할 수 있거나, 또는 일부 경우들에서 2㎒까지의 반복율로 동작할 수 있다.
추가적으로, 이들 구현예들에서 t(이득)의 감소는 펌프 및 덤프 사이클을 위해 더 유리한 듀티(duty)를 지원하기 위해 총 반복 시간 t(rep)의 더 큰 부분의 사용을 허용한다.
종종 사용되는 듀티의 정의는 로우 Q 기간의 길이를 총 기간의 길이로 나누는 것이다. 이러한 정의를 이용하면, 예를 들면 400㎑ 반복율을 이용한 구현예들에서, 1μsec로부터 0.5μsec로 t를 감소시키는 것은 듀티를 0.6으로부터 0.75로 증가시키며, 이는 25%의 상당한 크기의 증가이다.
광 경로의 길이 L를 짧게 하는 디자인 원리로 돌아가면, L은 무엇보다도 스위칭 가능 편광자(330)가 공동에 펄스를 트래핑하기 위해 얼마나 빨리 스위칭할 수 있는지에 의해 제어됨을 주목한다. 1미터 광 경로 공동에서, 왕복 시간은 2L/c = 6.6ns이다. 더욱이 펄스의 유한 공간 넓이로 인해, 단일 펄스 구현예들은 그러므로 5ns 미만의 스위칭 시간을 이용한 스위칭 가능 편광자(330)를 갖고, 다른 구현예들은 4ns 미만 또는 심지어 3ns 미만의 스위칭 시간을 이용한 스위칭 가능 편광자(330)를 갖는다.
일부 증폭기들에서, 스위칭 가능 편광자(330)는 포켈스 셀일 수 있다. 포켈스 셀들은 종종 입사 광 빔들의 편광을 회전시키도록 강전기장을 인가한다. 편광의 회전은 전기장의 제 1 전력에 비례하고 따라서 상당히 강할 수 있다. 포켈스 효과는 니오브산 리튬 또는 갈륨 비소 및 다른 비중심 대칭 재료들과 같은 반전 대칭을 결핍하는 크리스탈들에서 발생한다.
때때로 몇 킬로볼트의 전압을 인가함으로써, 포켈스 셀들은 편광-회전 상태로부터 매우 짧은 상승 시간을 갖는 편광-비회전 상태로 스위칭될 수 있다. 상승 시간의 하나의 측정(measure)은 "5-95 시간(time)"이고, 이 시간(time)은 편광 평면의 회전이 최대/포화값의 5%로부터 그 값의 95%로 상승하는데 걸리는 시간이다. 일부 구현예들에서, 상승 시간은 5ns 미만일 수 있고, 다른 실시예들에서, 4ns 미만일 수 있고, 또 다른 실시예들에서, 3ns 미만일 수 있다. 사실, 일부 구현예들에서, 상승 시간은 포켈스 셀 그 자신의 다이나믹스(dynamics)에 의해서가 아니고, 오히려 스위칭 전자 장치의 다이나믹스에 의해 제한된다. 일부 구현예들은 이러한 빠른 전력 스위칭 프로세스를 가능하게 하는 혁신적인 제어 및 구동기 회로를 사용할 수 있다.
위에 기술된 바와 같이, 포켈스 셀의 스위칭 시간을 짧게 하는 것은 t(이득)을 짧게 하기 위한 효과적인 방식이며, 이는 더 빠른 반복율을 가능하게 한다. 더욱이, 이들 더 빠른 포켈스 셀들은 또한 광 경로의 길이 및 따라서 공동의 크기의 감소를 허용한다.
추가로, 레이저 엔진(1)의 구현예들은 일부 존재하는 레이저들보다 더 적은 광학 소자들을 가지도록 만들어질 수 있다. 이는 부분적으로 압축기의 조정 가능한 광학 소자들을 위한 요구를 제거하는, 분산 제어기 또는 보상기의 응용뿐만 아니라 통합된 늘림-압축기 아키텍처(200)때문이다.
일부 레이저들이 백개 이상의 광학 소자들을 포함할 수 있지라도, 레이저 엔진(1)의 일부 구현예들에서 광학 소자들의 갯수는 75개 미만일 수 있다. 다른 구현들에서는, 50개 미만일 수 있다.
일부 구현예들에서, 발진기이외의 부분들에서 광학 소자들의 갯수는 50개 미만일 수 있다. 다른 구현예들에서, 35개 미만일 수 있다.
여기서 용어 "광학 소자"는 광빔의 광학 특성에 영향을 미치는 임의 소자를 지칭한다. 예시들은 다음을 포함한다: 미러, 렌즈, 평행 플레이트, 편광자, 격리기, 임의 스위칭 가능 광학 소자, 굴절 소자, 투과형 소자, 및 반사형 소자.
광학 소자들은 광이 공기로부터 들어와서 그리고 공기로 나가는 표면들에 의해 한정된다. 그러므로, 대물 렌즈와 같은 기능 블럭은 대물 렌즈가 움직일때 비록 렌즈들은 정밀하게 함께 움직일지라도, 그것이 몇 개의 렌즈들을 포함한다면 하나의 "광학 소자"가 아니다. 이는 간격이 짧을지라도 대물 렌즈들 사이에서 광이 공기중으로 전파하기 때문에 이렇다. 비록 2개의 렌즈들은 그들의 중심에 공기갭없이 서로 접촉할지라도, 편심(off-center) 빔들은 여전히 다른 렌즈로 들어가기 전에 하나의 렌즈를 벗어나 공기중으로 들어가고, 그에 의해서 2개의 광학 소자들로서 간주된다. 레이저들의 개략적 설명들은 종종 레이저의 실제 기능화를 위해 필요한 것보다 더 적은 광학 소자들을 도시하는 것이 주목된다. 일반적으로, 단일 렌즈가 도시될 때, 그 기능성들은 실제 단일 렌즈에 의해 수행될 수 없고, 주위 깊게 디자인된 렌즈-조립체에 의해서만 수행될 수 있다. 따라서, 이러한 개략적 설명들은 일반적으로 오직 예시적인 것으로 의미되며 만일 글자 그대로 구현된다면 동작이 불가능할 것이다.
고속 포켈스 셀들, 고속 스위칭 전자 장치 및 작은 수의 광학 소자들을 구비하는 레이저 엔진(1)의 구현예들은 2미터보다 짧은 공동 내부의 광 경로를 가질 수 있다. 따라서, 발진기(100)에서 광양자들의 발생으로부터 그리고 증폭기(300)의 공동 내부의 모든 왕복들을 포함하는 레이저 엔진의 총 광 경로는 500미터, 또는 300미터, 또는 심지어 150미터 미만일 수 있다.
기존의 펨토초 레이저들은 500미터 또는 더 긴 총 광 경로 및 3-4미터 또는 더 긴 공동 말단 미러간 거리를 가지는데, 왜냐하면 여기에 설명된 혁신적인 솔루션들없이 광 경로를 이들 값들 미만으로 짧게 하는 것은 매우 어렵기 때문이다.
레이저 엔진(1)의 크기의 감소에 기여할 수 있는 혁신적인 서브시스템들 및 특징들의 리스트는 다음을 포함한다: (i) 자유 공간 발진기 대신에 섬유계 발진기(100); (ii) 가능하게는, 반복율이 변경될 때 조정될 광학 소자들을 가지지 않는 단일의 처프 체적형 브래그 격자를 기반으로 하는 통합된 늘림-압축기(200); (iii) 반복율을 변경할 때 늘림-압축기(200)에서 조정 가능한 광학 소자들을 위한 요구를 제거하는 분산-보상 증폭기(300); (iv) 초고속 스위칭 포켈스 셀; (v) 킬로볼트 범위를 포함하는 포켈스 셀의 높은 전압들에서 고속 상승 시간들로 동작할 수 있는 초고속 제어 전자장치; 및 수용(accomodation)을 위해 덜 적은 공간을 요구하는 적은 수의 광학 소자들.
이들 특징들의 조합 또는 모두를 구현하는 레이저 엔진들은 500미터 미만의 총 자유 공간 광 경로 길이를 지원할 수 있으며, 일부 구현예들에서는 300미터 미만의 광 경로 길이를 지원할 수 있고, 그리고 일부 구현예들에서는 150미터 미만의 광 경로 길이를 지원할 수 있다.
또한, 위의 관련 특징들의 일부 또는 모두를 구비하는 증폭기(300)는 2미터 미만의 말단 미러간 광 경로 길이를 가질 수 있으며, 일부 경우들에서는 1미터 미만의 광 경로 길이를 가질 수 있다.
많은 구현예들에서, 광 경로는 다수 중첩되고, 이렇게 해서 공진 공동의 물리적 넓이는 경로의 길이보다 상당히 짧을 수 있다. 짧고 중첩된 광 경로들은 증폭기(300)의 총 넓이를 작게 한다. 일부 경우들에서, 증폭기(300)의 엣지(edge) 크기들 중 어느 것도 1미터를 초과하지 않으며, 다른 경우들에서 0.5미터를 초과하지 않는다.
따라서, 전체 레이저 엔진(1)의 차지하는 공간은, 즉 그것이 레이저 시스템의 데크를 커버하는 영역은 1m2 미만일 수 있고, 다른 경우들에서는 0.5m2 미만일 수 있고, 또 다른 경우들에서는 0.25m2 미만일 수 있고, 그리고 가능하게는 0.1m2 미만일 수 있다. 이들 영역들 또는 차지하는 공간들 각각은 분명하게 새로운 이점들이 될 수 있다.
*증폭기(300) 및 레이저 엔진(1)은 위에 기술된 디자인 원리들 및 콤포넌트들의 하나 이상을 이용하기 때문에 이는 대단히 작은 공간 넓이를 가질 수 있다. 예를 들면, 공간 넓이는 이들 디자인 원리들 및 컴포넌트들을 사용하지 않는 다른 레이저들로부터 증폭기(300) 및 레이저 엔진(1)을 정당하게 구별할 수 있다.
또 다른 고려가 또한 언급될 수 있다: 레이저 시스템의 톱 데크상에 있고 그리고 따라서 커버를 단순히 제거함으로써 그러나 레이저 시스템의 샷시내로 및 샷시로부터 밖으로 시스템 블럭들을 이동시키는 것 없이 접근가능한 서브시스템들을 서비스하는 것이 결정적으로 더 단순하다. 이렇게 하는 것은 정확도 장비는 일반적으로 정렬을 복원하기 위해 이용가능하지 않은 (병원같은) 고객 환경에서 시스템 블럭들의 민감한 정렬들을 위험하게 할 수 있으다. 따라서, 서로의 상단에 수술 레이저 시스템의 다양한 컴포넌트들을 적층하는 것(stacking)이 그 차지하는 공간을 감소시키기 위한 또 다른 방식으로 보일 수 있을지라도, 이렇게 하는 것은 레이저 시스템의 서비스를 위해 엄청난 도전들을 도입할 것이다.
그러므로, 레이저 엔진(1)의 크기를 줄이는 것은 또한 유지보수에 대한 접근을 요구하는 레이저 시스템의 톱 데크상에 다른 서브시스템들의 배치를 허용한다. 이러한 추가적인 서브시스템들은 성질상으로 새로운 기능성들을 도입할 수 있으며, 따라서 이는 총 레이저 시스템의 유용성을 결정적으로 향상시킨다. 이러한 추가적인 서브시스템들은 안과 수술을 가이드하기 위해 이미징 시스템을 도입할 수 있다.
요약하면, 위 특징들의 단독으로 또는 조합하여 물리적으로 간결한 레이저 시스템을 구성하기 위해 구현될 수 있다. 이러한 작은 공간 넓이는 적어도 다음의 이유들을 위한 유용한 자산일 수 있다: (i) 안과 수술 레이저 시스템들은 공간 및 접근이 높은 프리미엄이 붙는 매우 번잡한 수술실들에 종종 전개되며, 이는 작은 차지하는 공간들을 갖는 레이저 시스템들에게 유리하다; (ii) 레이저 엔진의 실용성은 그 광학 컴포넌트들의 대부분 또는 모두가 레이저 시스템의 톱 데크상에 조립되면 질적으로 더 좋다; 그리고 (iii) 소형 레이저 엔진들은 톱 데크상에 추가적인 시스템들의 전개를 허용하며, 이는 안과 수술을 가이드하기 위한 이미징 시스템과 같은 총 레이저 시스템에 결정적 새로운 기능성들을 추가한다.
증폭 늘림 레이저 펄스들의 경로를 추적하는 것으로 다시 돌아가면, 도 2는 , 일단 증폭기(300)에 의해 방출되면, 증폭 펄스는 패러데이 격리기(500)쪽으로 다시 포워딩될 수 있음을 예시한다. 패러데이 격리기(500)의 기능들중 하나는 거의 100% 효율성으로 증폭 펄스들을 발진기로부터 멀리 떨어지게 재지향 할 수 있으며, 따라서 이는 증폭 펄스에 의한 발진기(100)에 대한 손상을 방지한다.
일부 경우들에서, 증폭 펄스들은 편광자들(550 및 560)을 통하여 늘림-압축기(200)의 압축기 포트로 지향된다. 위에 기술된 바와 같이, 늘림-압축기(200)는 증폭 펄스들을 재압축할 수 있고 펨토초 펄스들을 갖는 펄싱된 레이저 빔을 방출할 수 있다.
위에 기술된 다양한 솔루션들을 이용하는 레이저 엔진(1)의 구현예들은 1-1000 펨토초들(fs) 범위내의 펄스 지속기간을 갖는 레이저 빔을 출력할 수 있으며, 일부 경우들에서는 50-500 fs범위내의 펄스 지속기간을 갖는 레이저 빔을 출력할 수 있고, 또 다른 경우들에서는 100-300fs 범위내의 펄스 지속기간을 갖는 레이저 빔을 출력할 수 있다. 이들 펨토초 펄스들은 예를 들면 1-100μJoule/pulse 범위의 에너지와 같은 대단히 높은 에너지들에 도달할 수 있으며, 다른 경우들에서 10-50μJoule/pulse 범위의 에너지에 도달할 수 있고, 또 다른 경우들에서는 20-30μJoule/pulse 범위의 에너지에 도달할 수 있다.
이들 펄스 에너지들은 펄스 에너지가 1, 10 또는 20μJoule/pulse 미만인 레이저들에 접근할 수 없는 유용한 응용들을 이용가능하게 할 수 있는데, 왜냐하면 문턱 거동(threshold behavior)을 보이는 눈에서 수개의 상이한 레이저 인체 조직간의 상호반응들(laser-tissue interactions)이 있기 때문이다. 1μJoule/pulse 에너지 미만의 레이저 펄스들이 외과적으로 원하는 인체 조직 변형을 야기하지 않는 외과 수술들이 있다. 다른 외과 수술들에서 이러한 문턱값은 10 또는 20μJoule/pulse일 수 있다.
예를 들면, 백내장 수술은 10㎜의 깊이까지와 같이 표적 세포 조직내에 레이저를 깊숙이 향하게 하는 것을 요구한다. 이러한 요구조건들은 개구수를 제한하는데, 따라서 광파괴를 생성하기 위해 하나의 펄스당 더 높은 에너지값을 필요로 한다. 일부 경우들에서는 10-15μJoule/pulse 에너지가 충분할 수 있다. 최대 에너지 값들에서 동작하는 것을 회피하기 위해, 20μJoule/puls를 갖는 디바이스들이 바람직할 수 있다. 이들 숫자들이 적중한 에너지들이므로, 광 경로를 따른 손실들을 참작하기 위해, 레이저 시스템은 25-30μJoule/pulse를 출력하는 레이저들을 포함할 수 있다.
예를 들면, 백내장 수술 응용에서, 백내장 경도 1, 2, 3, 또는 4의 절개는 대응하는 문턱값 초과의 레이저 펄스 에너지들을 필수로 할 수 있다. 예를 들면, 일부 상황에서, 10-15μJoule/pulse보다 높은 펄스 에너지들을 갖는 레이저들로 백내장 경도 1을 절개할 수 있고, 10-20μJoule/pulse보다 높은 펄스 에너지들로 백내장 경도 2를 절개할 수 있고, 20μJoule/pulse보다 높은 펄스 에너지들로 백내장 경도 3을 절개할 수 있고, 그리고 30-50μJoule/pulse보다 높은 펄스 에너지들로 백내장 경도 4를 절개할 수 있다. 이들 문턱 에너지들은 수개의 팩터들에 의해 영향을 받을 수 있으며, 이들 팩터들은 펄스 길이, 반복율, 총 표적 영역내의 레이저 스폿의 위치, 및 환자의 나이를 포함한다.
레이저 펄스들의 영향은 넓은 종류들의 표적 인체 조직에서 그 파라미터들의 높은 비선형 함수이다. 그러므로, 동일 에너지/펄스지만 그러나 상이한 펄스 지속기간을 갖는 레이저들은 수술 표적들에서 상이한 결과들에 도달할 수 있다. 예를 들면, 특정 에너지/펄스값을 갖는 피코초 펄스들은 제어되지 않게 팽창하는 버블들을 안과 조직(ophthalmic tissue)에서 생성시킬 수 있으며, 반면에 유사 에너지/펄스를 갖는 펨토초 펄스들은 제어된 채로 남아 있는 버블들을 만들 수 있다. 따라서, 위에 기술된 에너지/펄스값들은 펨토초 펄스들, 즉 피코초 미만의 길이를 갖는 펄스들을 방출하는 레이저 엔진들에 의해 생성될 수 있다.
레이저 빔의 세기는 전력의 견지에서 양으로 표시될 수 있다. 예를 들며, 50㎑ 반복율을 갖는 20μJoule/pulse 레이저는 1W 전력을 운반한다. 전력의 견지에서 표현하면, 위에 기술된 문턱값은 대응 반복율들에서 0.1W, 1W, 및 10W의 문턱 전력이 될 수 있다. 따라서, 이들 문턱값들을 초과하는 전력을 갖는 레이저 빔들을 방출할 수 있는 레이저 엔진들은 상이한 기능성들을 제공한다.
예를 들면, FDA(Food and Drug Administration)는 의료용 레이저들을 그들 전력으로 분류한다. 레이저 클래스 3B는 그 효과들이 널리 연구되고 있는 바와 같이 안과 수술을 위해 종종 사용된다. 0.5W 전력 미만인 전력을 갖는 빔들을 출력하는 레이저들은 클래스 3B에 속한다. 그러므로, 0.5W이하의 출력을 갖는 레이저들은 높은 출력을 갖는 레이저들과는 실질적으로 더 상이한 응용들을 제공한다.
도 6a-6d는 레이저 엔진(1)의 기능성을 예시하며, 이는 고속으로 반복율을 변경하는 그 능력을 이용한다. 다양한 응용들에서, 수술용 레이저 빔은 촛점에서 광파괴를 야기하며, 여기서 파괴된 영역들은 결과적으로 팽창되어 버블이 된다. 초점이 스캐닝 속도로 레이저 시스템의 스캐닝 광학계에 의해 스캐닝됨에 따라 일련의 버블들이 발생된다. 이들 일련의 버블들은 제어 가능한 방식으로 라인들 또는 표면들을 형성할 수 있다. 많은 수의 버블들은 이들 라인들 또는 표면들을 따라 표적 조직의 기계적 무결성을 축소시키며, 이는 라인들 또는 표면들을 따라 표적 조직을 쉽게 분리하는 것을 가능하게 한다. 사실상, 스캐닝된 레이저 빔은 이들 라인들 또는 표면들을 따라 표적 조직을 "절개"한다.
일부 대표적인 경우들에서, 버블들은 대략 10-50μ 또는 그 초과의 거리만큼 분리되는 직경면에서 수 마이크론(μ)일 수 있다. 수술용 레이저 시스템은 일반적으로 매 반복시간마다 한번, 즉 반복율의 반전마다 버블을 만든다. 그러므로, 버블들은 레이저 시스템의 스캐닝 속도가 불변인 한 필수적으로 균등하게 일정한 간격을 갖게 된다.
버블들이 레이저 펄스에 의해 생성된 이후 이들은 팽창한다. 다양한 상황들에서, 이러한 팽창은 제어되지 않을 수 있다. 이러한 제어되지 않은 버블 팽창은 표적 영역에서 후속하는 레이저 펄스들을 강하게 산란시킬 수 있으며, 이는 심각하게 안과 수술의 정확도 및 제어를 손상시킨다. 서로 너무 밀접하게 버블들을 형성하는 것은 이러한 제어되지 않은 팽창의 촉발제들(triggers) 중 하나이며, 이것이 버블들을 접착시키는 것을 야기할 수 있기 때문이다. 버블의 팽창과 관련한 다른 가능한 프로세스들은 후속적으로 형성된 버블들의 형성을 방해할 수 있으며, 이는 버블들 사이에 상호간섭(cross-talk)을 야기하며, 한번 다시 버블들의 제어되지 않은 팽창이 된다. 그러므로, 스캐닝 동안 사전 결정된 버블 분리 거리(separation)를 유지하는 것은 안과 수술 레이저 시스템에 대한 버블 팽창에 대하여 제어를 유지하기 위한 높은 우선순위가 될 수 있다.
그러나, 촛점의 스캐닝은 일반적으로 미러들과 갈보들(galvos)과 같은 이동 부품들과 관련이 있다. 극히 짧은 반복 시간들이 주어지면, 이들 이동 부품들의 최소 관성 및 기계적 지연은 버블 밀도에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 일부 수술 패턴들을 따라 스캐닝할 때, 스캐닝 속도는 전환점들 및 코너들에서 속도가 느려질 수 있으며, 이는 가능하게 레이저 스폿들 및 버블들의 증가된 밀도가 된다. 다른 경우들에서, 수술 패턴 기하학은 단순하게 비록 선형 버블 밀도가 불변으로 유지될지라도 버블들의 향상된 면적 밀도가 된다.
도 6a는 고정 반복율 레이저가 표적 조직에서 분리 시트를 형성하도록 스위치백 수술 스캐닝 패턴을 통한 스캐닝될 때의 예를 보여준다. 그러나, 도시된 바와 같이, 전향 또는 스위치백 점들에 접근함에 따라, 스캐너는 느려지고 반면에 반복율은 불변으로 유지되며 따라서 증가된 선형 및 이렇게 하여 대기 버블 밀도를 형성한다. 이러한 증가된 버블 밀도는 위에 기술한 바와 같이 중대한 제어 문제들로 귀결될 수 있다.
이러한 기술적 문제는 빔 차단기와 같은 추가 소자들을 포함함으로써 일부 기존 레이저 시스템들에서 해소되며, 이 빔 차단기는 높은 버블 밀도 영역들의 형성을 방지하기 위해 이러한 전환점들에 접근할 때 레이저 빔을 방해한다. 그러나, 이러한 빔 차단기들을 포함하는 것은 레이저 시스템의 추가 소자들을 추가하는 것을 의미하며, 이들 추가 소자들의 동작은 스캐닝 그 자체로 제어되고 동기화되는 것이다. 이들 추가물들 모두는 추가적인 도전성 및 증가된 복잡성을 의미한다.
스캐닝이 단순하게 스캐닝 패턴의 라인 끝에 있을 때조차 유사한 문제들이 발생하며, 이는 스캐닝 속도를 늦추고 그리고 증가된 선형 버블 밀도를 야기한다.
도 6b는 이러한 예리한 전환점들이 "가속-최소화" 스캐닝 패턴들을 따름으로써 회피될 수 있음을 보여준다. 가속-최소화 패턴의 예시는 나선형이며, 이는 예리한 스위치백들을 가지고 있지 않다. 그러나, 나선형 패턴조차도 가속을 단지 감소시킬 뿐 그러나 그것을 제거하지 않는다. 그러므로, 스캐닝 속도는 여전히 이들 시스템들에서 가변되며, 그리고 이렇게 하여 고정 반복율은 여전히 버블 밀도가 패턴의 최저 속도 부분에서조차도 문턱값 이상으로 증가되지 않도록 선택되어야만 한다. 그러나, 이러한 디자인 원칙은 대부분의 패턴에 대하여 스캐닝 속도가 시스템이 절개 또는 분리 기능을 달성하기 위해 필요한 버블 밀도를 달성하도록 지원할 수 있는 것보다 더 낮다. 동등하게, 만일 더 높은 스캐닝 속도가 이용된다면 버블들의 분리 거리는 더 작게 될 수 있으며, 이는 형성중인 버블들 사이에 간섭(interference) 또는 상호간섭(cross-talk)이 된다. 이들 효과들 모두는 제어 불가능 또는 결론적이 아닌 버블 팽창의 위험을 증가시킨다.
레이저 엔진(1)의 구현예들은 이와 관련하여 유용한 기능성을 제공하도록 디자인될 수 있다. 일반적으로 독특한 디자인 및 특별히 증폭기(300)의 분산 제어기는 변경중인 스캐닝 속도와 동기되게 필수적으로 변경율을 변경하는 것을 가능하게 한다. 일부 레이저 엔진들에서, 반복율은 10μs - 1s의 범위내 변경 시간에서 변경될 수 있으며, 일부 특수한 경우들에서는 1μs - 1s의 범위내 변경 시간에서 변경될 수 있다. 그러므로, 일부 구현예들은 표적 영역에서 거의 일정한 버블 밀도를 유지하기 위해 수술 패턴을 따라 스캐닝 속도의 디자인된 또는 측정된 속도 감속에 의해 레이저 엔진(1)의 반복율을 감속하기 위한 제어 전자장치를 포함할 수 있다. 이러한 대략적으로 불변의 버블 밀도는 예를 들면 가변하는 스캐닝 속도와 비례적으로 반복율을 변경함으로써 달성될 수 있다. 이러한 기능성을 가지고, 레이저 엔진(1 또는 1')은 거의 굴곡없는 선형 또는 면적 버블 밀도로 버블들을 형성할 수 있고, 따라서 제어되지 않은 버블 팽창을 방지 또는 제거할 수 있다.
도 6c는 도 6a에서와 같은 동일한 스위치백들을 갖는 스캐닝 수술 패턴을 예시하며, 여기서 반복율은 스캔이 스위치백 주위로 이동함으로써 감소되며, 이는 버블들사이에 필수적으로 굴곡없는 선형 분리 거리를 갖는 절개를 발생시킨다.
도 6d는 중심에 대한 나선형 범위로서 감소된 반복율을 갖는 나선형 수술 패턴을 예시하며, 여기서 버블들은 이러한 감소가 없다면 서로 너무 근접하게 있었을 것이다. 이러한 실시예는 그러므로 필수적으로 고른 면적 버블 밀도를 또 한번 생성할 수 있다.
*물론, 반복율의 급속한 변동성은 또한 불변의 밀도뿐만 아니라 더욱이 사전 결정된 밀도 프로파일에 따른 버블들의 생성을 허용한다. 예를 들면, 눈의 핵은 그 중심쪽으로 더 단단하다. 그러므로, 일부 구현예들에서, 버블 밀도는 스캔이 핵의 중심을 가로지름에 따라 증가될 수 있으며, 뒤이어 중심을 지나면 감소된다. 다수의 상이한 밀도 프로파일들은 상이한 의료적 잇점들 및 이익들을 가질 수 있다. 밀도 프로파일은 또한 사전결정된 기준에 따라서가 아니고 표적 영역의 이미징 또는 감지에 응답하여 조정될 수 있다.
도 7a-7d는 스캐닝과 필수적으로 동기화하게 또는 예를 들면 60-120초이내와 같은 적어도 안과 수술의 시간 척도이내에서 변경율을 변경하도록 레이저 엔진들을 돕는 또 다른 디자인 특징을 예시한다.
도 7a-7b는 열 렌징(thermal lensing)으로 불리는 현상 및 레이저 디자인에 관한 그 영향을 예시한다. 레이저 크리스탈(310)이 펌프 다이오드들에 의해 펌핑되고 따라서 레이저 펄스를 증폭함으로써 그 에너지를 전송할때, 그 온도 T는 상승한다. 온도 T는 종종 불균일하게 상승한다: 일반적으로 온도는 펌핑된 중심 영역에서 가장 높으며, 이는 가능하게는 광축에서 또는 광축 주위에서 피크가 되며, 그리고 방사상의 거리가 증가함에 따라 감소한다.
이러한 불균일한 온도 상승에 대한 다음과 같은 적어도 2가지 효과가 있다: (i) 굴절율 n이 온도에 따라 증가하므로: n = n(T), 굴절율이 레이저 크리스탈(310)의 중심 영역에서 최대값을 보이며; 그리고 (ii) 증가하는 온도는 레이저 크리스탈(310)의 중심 영역을 그 주위 영역보다 더 광범위하게 열적으로 팽창시키고, 그러므로 부풀게 만들며, 이는 더 차가워진 바깥 영역에 의해 유지된다. 이들 효과 둘 다는 입사 평행 광선들을 집속하는 경향이 있다. 이러한 현상이 열 렌징으로 불린다. 이러한 열 렌징은 렌즈(310')로 레이저 크리스탈을 상징화함으로써 명칭된다. 열 렌징은 수개의 디옵터들에 의한 굴절을 보여줄 수 있으며, 따라서 이 열 렌징은 레이저 엔진의 성능을 실질적으로 변경할 수 있다.
도 7a는 일반적으로 레이저 엔진의 디자인이 동작 반복율 및 빔 출력에 의해 결정된, 동작 온도 T=Top에서 레이저 크리스탈에 의해 열 렌징의 굴절 효과를 결정하는 것, 그리고 레이저 엔진의 다른 광학 소자들을 통하여 열 렌징을 위한 굴절 보상을 도입하는 것과 관련됨을 예시한다. 예시는 추가 렌즈(312)를 도입하는 것이며, 이는 빔이 열 렌즈(310')에 의해 집속된 후 평행 빔에 대한 수렴 빔을 복원할 수 있다.
도 7b는 이러한 굴절 보상이 특별한 동작 온도 T=Top에 적합하고, 따라서 오로지 특별한 반복율 및 빔 출력에 적합함을 예시한다. 사실, 만일 응용이 반복율 또는 출력의 변경을 요청한다면, 변경된 반복율 및/또는 변경된 출력은 레이저 크리스탈(310)의 온도 T를 T=Top으로부터 T=Top'으로 변경한다. 이러한 온도의 변경은 이러한 변경에 따라 열 렌즈에 의한 집속(focusing)을 (점선들에 의해 표현된 수렴빔으로부터 실선들을 갖는 수렴빔으로) 변경하며, 이는 T=Top에서 평행했던 빔을 T=Top'에서 수렴하도록 변환하며, 따라서 더 열화 수렴 특성들을 갖는다.
도 7b는 또한 수렴 특성들이 굴절 보상을 조정함으로써 복원될 수 있음을 예시한다. 굴절 보상의 변경은 일반적으로 예를 들면, 렌즈의 이동, 격자의 회전, 또는 광축에 상대적으로 빔을 이동시키는 것과 같은, 레이저 엔진의 하나 이상의 광학 소자를 조정하는 것을 요구한다. 도 7b는 화살표에 의해 표시된 바와 같이, 광축을 따라 보상 렌즈(312)의 조정을 보여준다. 이전의 분산 보상과 유사하게, 기계적 조정들을 통한 이러한 굴절 보상은 또한 느리고, 그리고 미세 조정 및 교정을 요구한다. 그러므로, 대부분의 레이저들은 이러한 도전을 전체적으로 회피하고, 그리고 반복율의 변경을 허용하지 않는다. 그리고 변경 가능한 반복율을 제공하는 이들 레이저들에서조차도, 반복율은 심지어 안과 수술 시간 이내 조차 레이저 엔진들의 스캐닝과 거의 동기화하게 변경될 수 없는데, 왜냐하면 보상 광학 소자의 조정에 대한 느림때문이다.
도 7c-7d는 열 렌징의 효과를 최소화하기 위해 다양한 디자인 원리들을 사용하는 레이저 엔진(1)의 구현예들을 예시한다. 열 렌즈(310')에 의한 굴절은 만일 대부분 또는 모든 광선들이 열 렌즈(310')의 중심을 통하여 또는 매우 근접하게 전파된다면 상당한 정도만큼 감소될 수 있는데, 왜냐하면 그 중심에서 렌즈를 가로 지르는 광선들이 기하학적 광학 근사의 레벨로 굴절되지 않기 때문이다. 파동 광학의 레벨상 및 유한 넓이의 렌즈를 포함할 때, 이들 중심 광선들은 굴절되며, 그러나 단지 최소 한도로 굴절된다.
도 7c는 광선들이, 예를 들면 (i) 집속 효과를 갖는 말단 미러(322)의 실시예를 사용함으로써; (ii) 집속 말단 미러(322)로부터의 광선들 대부분이 열 렌징 레이저 크리스탈(310/310')의 중심을 가격하도록 집속 말단 미러(32)의 촛점에 매우 근접하게 열 렌징 레이저 크리스탈(310/310')을 위치시킴으로써; 그리고 (iii) 빔이 발산되는 대신에 그 자체로 다시 반사됨을 보장하도록 집속 말단 미러(322)의 촛점 그리고 이렇게 함으로써 렌즈 크리스탈(310)에 매우 근접하게 다른 말단 미러(321)를 위치시킴으로써 렌즈의 중심을 가하도록 압축될 수 있는 광선들을 예시한다. 이러한 디자인들에서, 반복율, 또는 빔의 출력이 변경되고, 따라서 레이저 크리스탈(310)의 온도를 T=Top으로부터 T=Top'으로 변경할 때, 레이저 엔진(1)의 임의 기계적 또는 광학 소자를 재조정하기 위한 절실한 필요성이 없는데, 왜냐하면 레이저 크리스탈(310)의 굴절 영향이 최소화되어 있기 때문이다. 따라서, 반복율, 또는 빔의 출력은 굴절 보상기의 임의 상응하는 조정없이도 변경될 수 있다.
도 4를 참조하면, 다양한 실시예들에서, 말단 미러들 및 접이식 미러들(321-324) 중 임의 하나 이상은 기술된 집속 효과를 가질 수 있다.
말단 미러(321)와 렌즈 크리스탈(310)의 거리인 d1, 렌즈 크리스탈(310)과 집속 말단 미러(322)의 거리인 d2, 및 가령 구경들, 렌즈 크리스탈(310)의 두께, 및 집속 말단 미러(322)의 반지름과 같은 다른 파라미터들을 포함하는, 본 실시예의 디자인들 파라미터들이 이미 감소된 열 렌징을 추가로 최소화하기 위해 최적화될 수 있다.
도 7d는 관련된 디자인을 예시한다. 본 실시예에서, 말단 미러들(321 및 322) 둘 다는 집속 타입이다. 본 예시는 레이저 크리스탈(310)이 더 높은 정밀도로 2개 말단 미러들의 공유 촛점상으로 위치될 수 있으므로 열 렌징을 추가로 감소시킨다. 다시, 다른 파라미터들은 추가적인 디자인 최적화를 조건으로 하여 만들어질 수 있다.
도 8은 레이저 엔진(1)에서 열 렌징의 억제에 대한 정량적 특징화를 예시한다. 가로축은 주변 온도 Tambient에 대한 크리스탈 중심의 동작 온도 Toperating=Top의 비율을 보여준다. 세로축은 레이저 엔진(1)에 의해 방출된 레이저 빔의 광출력을 보여준다. 이 그래프는, 비록 광 발진 동작이 주변 온도의 10-50% 이상 레이저 엔진을 가열할지라도, 광출력은 단지 몇%만큼만 가변되어 Toperating/Tambient = 150%에서 약 10%에 도달함을 보여준다. 레이저 크리스탈(310)의 광출력은 이러한 넓은 범위의 동작 온도들에 대하여 너무 적게 변경되는데, 왜냐하면 레이저 크리스탈(310)의 열 렌징의 굴절 영향이 도 7c 및 도 7d의 디자인들에 의해 효율적으로 최소화되기 때문이다.
위에 기술된 설명은, (i) 증폭기(300) 내에서 분산 보상을 사용하는 것; (ii) 통합된 늘림-압축기(200)를 사용하는 것; 및 (iii) 열 렌징을 최소화하는 공동 아키텍처들뿐만 아니라 위에 기술된 다른 디자인 고려들을 이용하는 것을 포함하여, 발진기(100) 바깥의 광학 소자들을 조정하기 위한 필요성없이 반복율을 변경하는 기능성을 달성하도록 사용될 수 있는 디자인 원리들 및 예시들을 제공한다. 위의 디자인 특징들 또는 유사물들의 하나 이상을 사용하는 레이저 엔진들은 변경 시간이내에 반복율 범위들에서 반복율의 변경을 가능하게 할 수 있으며, 이는 제한된 레이저 빔 변경을 야기한다.
여기서, 반복율 범위는 10㎑ - 2㎒, 또는 50㎑ - 1㎒, 또는 100㎑ - 500㎑일 수 있으며, 이들 범위들 각각은 특별한 기능성들을 제공한다.
변경 시간은 수술 타입에 따라 1-120초, 또는 10-60초 또는 20-50초의 범위 이내에와 같은 다단계 안과 수술의 시간 척도일 수 있다. 이들 범위들의 변경 시간을 이용한 레이저 엔진들은 제 1 수술 절차를 위해 필수적인 변경율로부터 제 2 수술 절차를 위해 필수적인 변경율로 스위칭하기 위해 반복율의 변경을 지원할 수 있다.
다른 경우들에서, 가령 도 6a-6d와 관련하여 기술된 실시예들에서와 같은, 변경 시간은 다수의 반복 시간들과 같은 레이저 시스템의 스캐닝 속도에 의해 설정된 시간 척도일 수 있으며, 여기서 다수의 반복 시간들은 1-10,000, 또는 100-1,000 범위 내일 수 있다. 반복 시간이 10㎑에서 약 100 마이크로초(100μs)이고, 그리고 1㎒에서 1μs이므로, 이들 "스캐닝-변경 시간들", 또는 "스캐닝-동기화 변경 시간들"은 1μs - 1s의 범위 내일 수 있다.
버블들의 선형 밀도는 스캐닝 속도의 변경에 응하여 반복율을 변경함으로써 일부 구현예들에서 보존되며, 따라서 스캐닝 속도 및 반복율의 비율은 필수적으로 불변으로 유지된다.
레이저 빔은 반복율 변경에 의해 제한된 정도로 변경될 수 있다. 이러한 변경은 다음을 포함하는 다양한 방식들로 획득될 수 있다: (i) 빔 직경이 10% 또는 20% 미만만큼 변경된다; 또는 (ii) 빔의 중심은 빔의 직경의 20% 또는 40% 미만만큼 이동한다. 여기서, 빔 직경은 상이한 방식들로 한정될 수 있으며, 가령 빔의 세기가 빔의 중심에서 세기의 50%로 떨어지는 직경을 들 수 있다. 다른 한정들이 또한 사용될 수 있다.
일실시예는 100㎑의 반복율과 3 마이크론의 초점의 빔 직경을 갖는 레이저 빔을 방출할 수 있는 레이저 엔진(1)이며, 여기서 레이저 빔의 반복율은 발진기(100)만을 15초의 변경 시간으로 조정함으로써 150㎑로 변경될 수 있으며, 그리고 이러한 상당한 변경에도 불구하고, 빔은 제한된 정도까지만 변경된다: 초점 직경은 단지 15%만큼 3.45 마이크론으로 변경되고 그리고 그 중심은 빔 직경의 30%만큼만, 즉 0.9 마이크론만큼 광학축에 상대적으로 이동한다. 이러한 레이저 엔진은 100㎑ 반복율을 가지고 백내장 수술을 수행하도록 사용될 수 있으며, 그 반복율을 15초의 150㎑로 변경하며 그리고 150㎑ 반복율로 후속하는 각막 수술을 수행하도록 다시 사용될 수 있으며, 여기서 전체 수술은 100 또는 120초 이상 걸리지 않으면서도, 그 사이 매우 양호한 빔 품질을 유지한다.
또 다른 예시에서, 레이저 엔진(1)은 100㎑의 반복율 및 4마이크론의 빔 직경을 갖는 레이저 빔을 방출할 수 있다. 스캐닝 속도가 표준 스캐닝 속도의 절반까지 느려지는 수술 패턴의 예리한 스위치백에 스캐닝이 접근하고 있는 때, 그에 따라 반복율은 그 값의 절반까지 점진적으로 느려질 수 있는데, 즉 발생된 버블들 또는 스폿들의 거의 일정한 선형 밀도를 유지하기 위해 100㎑로부터 50㎑로 느려진다. 만일 이러한 감속이 예를 들면 100㎑ 반복율의 10회 반복으로 수행된다면, 반복율을 변경하는 총 시간은 약 100μs이다.
반복율은 몇 개의 단계로 또는 점진적으로 변경될 수 있으며, 따라서 순수 결과는 반복율이 약 100μs에서 100㎑로부터 50㎑로, 레이저 빔의 스캐닝 시간 척도의 변경과 거의 동기화하게 변경된다. 레이저 엔진(1)의 디자인은 높은 레이저 빔 품질을 유지하면서도 이러한 현저하게 빠른 시간에서 반복율을 변경하는 것을 가능하게 한다. 일례에서, 레이저 빔 직경은 100㎑에서 4마이크론일 수 있으며, 이는 반복율이 50㎑로 감소됨에 따라 10%만 변경하여 3.6마이크론이 되고, 그리고 레이저 빔의 중심은 빔 직경의 20%만큼만, 즉 0.8마이크론만큼 광학축으로부터 벗어나서 이동한다.
레이저 엔진(1)이 반복율을 변경하면서도 높은 빔 품질을 어떻게 유지할 수 있는 지를 표현하기 위한 또 다른 방식은 잘 알려진 g1-g2 안정도 평면에 의한 것이다. 레이저 엔진(1)의 구현예들은 빔 파라미터들 g1 및 g2을 예를 들면 10㎑-2㎒, 또는 10㎑-500㎑, 또는 50㎑-20010㎑범위와 같은, 넓은 범위의 반복율에서의 쌍곡선 안정 영역내로 유지할 수 있다.
적은 수의 광학 소자들은 또 다른 유리한 점으로부터 레이저 엔진(1)의 구현예들의 결정적 및 구분하는 특징일 수 있다. 펨토초 레이저들은 일반적으로 엣지 절단(cutting edge) 디바이스들이며, 환경 영향들에 민감하고 환경 영향들에 의해 쉽게 부정렬되며, 설명서와 다른 사용이고, 그리고 자체 발열 효과들과 같은, 심지어 간단한 웨어(wear)이다. 그러므로, 펨토초 레이저들의 광학 소자들은 표준의 짧은 시간 간격에서 미세 조정, 재조정 및 유지를 요구할 수 있다. 일반적인 펨토초 레이저들은 백개 이상의 광학 소자들을 포함할 수 있고, 그리고 이들 광학 소자들 중 어느 하나의 불량은 전체 레이저의 불량을 야기할 수 있다.
일부 일반적인 레이저들은 30-60 "사이클링". 즉 레이저 엔진의 출력을 스위칭 온 및 오프한 후 마다 종종 고장날 수 있다. 동작중 발생하는 불량들을 회피하기 위해, 일부 레이저 시스템들의 동작자들은 모든 종업원 비용들 및 고장 시간들로, 정규 및 비싼 유지보수 방문들 계획해야만 하고, 그리고 여전히 파괴적인 결말들을 갖는 인-사이튜(in-situ) 불량의 높은 위험성이 있을 수 있다.
대조적으로, 레이저 엔진(1)의 실시예들은 레이저 엔진(1)의 임의 광학 소자를 재조정할 필요없이 출력을 스위칭 온 및 오프함으로써 120회 이상 사이클링될 수 있다. 일부 실시예들에 대하여, 사이클 횟수는 180 또는 심지어 240 이상일 수 있다.
외과 수술들에서, 레이저 크리스탈(310)의 가열 및 냉각과 관련된 문제들을 최소화하기 위해, 종종 레이저는 아침에 한 번 스위칭 온되고 그리고 저녁에만 스위칭 오프되는데, 즉 수술 레이저들이 종종 하루에 한번 사이클링된다. 단순한 평가에서, 만일 레이저들이 한 주에 5회, 따라서 대략 한 달에 20회 사용된다면, 30회 사이클링은 1.5개월 후 높은 불량 위험을 의미하며, 그리고 60회 사이클은 3개월 후 높은 불량 위험을 의미한다.
대조적으로, 레이저 엔진(1)의 일부 구현예들은 120회 이상 사이클링될 수 있으며, 이는 불량에 대한 6개월의 낮은 확률을 의미한다. 다른 구현예들은 180 또는 240회 사이클링될 수 있으며, 이는 불량에 대한 9개월 또는 1년 전체의 낮은 확률을 의미한다. 그러므로, 레이저 엔진(1)의 실시예들은 사용자 및 서비스 제공자에게 다 같이 상당히 더 낮은 짐을 부과하는 예방적 유지보수 스케쥴에 의해 동작될 수 있다. 또한, 이러한 낮은 빈도수의 유지보수 스케쥴은 레이저 시스템의 전체 섹션들의 대체와 같은 상이한 타입들의 유지보수를 가능하게 만든다. 일부 경우들에서, 전체 엔진(1)은 생생하게 유지되는 하나의 현장에 의해 단순하게 대체될 수 있고, 그리고 시술자의 더 낮은 기술 환경대신에 레이저 엔진(1)의 유지는 서비스 제공자베이스의 높은 기술 환경을 대신할 수 있다.
본 문서는 많은 상세한 점을 포함할지라도, 이들은 발명 또는 청구범위의 범위에 관한 제한으로 해석되지 않아야하며, 그보다는 오히려 본 발명의 특정 실시예들에 지정된 특징들의 설명들로서 이해되어야 한다. 별도의 실시예들과 관련하여 본 문서에 기술된 일부 특징들은 또한 조합 또는 단일 실시예로 구현될 수 있다. 역으로, 단일 실시예와 관련하여 기술된 다양한 특징들은 또한 별도로 다수의 실시예들 또는 임의의 적합한 서브-조합으로 구현될 수 있다. 더욱이, 특징들이 일부 조합들에서 작용하는 것으로 위에 기술될 수 있고 그리고 심지어 초기에 그렇게 청구될 수 있을지라도, 청구된 조합으로부터 하나 이상의 특징들이 조합으로부터 삭제될 수 있고, 그리고 청구된 조합은 서브 조합 또는 서브 조합의 변형이 될 수 있다.
이미징 가이드된 레이저 수술 기술들의 많은 구현예들, 장치 및 시스템들이 개시된다. 그러나, 기술된 구현예들의 변형예들 및 개선예들, 그리고 다른 구현예들이 기술된 것에 기반하여 만들어질 수 있다.
Claims (11)
- 레이저 시스템으로 스캐닝하는 방법으로서,
발진기에 의해 펌토초 시드 펄스들을 생성하는 단계;
늘림기에 의해 상기 시드 펄스들의 지속기간을 늘리는(stretching) 단계;
증폭기에 의해 늘림 시드 펄스(stretched seed pulse)들을 레이저 펄스들로 증폭하는 단계;
상기 증폭기의 말단 미러들 사이의 분산 보상기로 5,000-20,000 fs2의 범위 내에서 상기 레이저 펄스들의 그룹 지연 분산(group delay dispersion)을 보상하는 단계;
전기-광학 변조기(electro-optical modulator)에 의해 제 1 반복률에서 상기 증폭기로부터 상기 레이저 펄스들을 출력하는 단계;
압축기에 의해 상기 레이저 펄스들의 지속기간을 1-1,000 fs의 범위로 압축하는 단계;
스캐닝 레이저 전달 시스템을 이용하여 제 1 표적 영역의 촛점(focus spot)에 상기 레이저 펄스들을 집속(focusing)하는 단계;
상기 스캐닝 레이저 전달 시스템을 이용하여 상기 제 1 표적 영역에서 상기 제 1 반복률로 상기 촛점을 스캐닝하는 단계;
반복률 제어기로 상기 제 1 반복률을 제 2 반복률로 변경하는 단계; 및
상기 스캐닝 레이저 전달 시스템을 이용하여 제 2 타겟 영역에서 상기 제 2 반복률로 상기 촛점을 스캐닝하는 단계를 포함하는,
레이저 시스템으로 스캐닝하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
제 1 스캐닝 스피드로 상기 제 1 타겟 영역에서 상기 촛점을 스캐닝하는 단계;
상기 스캐닝 레이저 전달 시스템의 프로세서에 의해 상기 제 1 스캐닝 스피드를 제 2 스캐닝 스피드로 변경하는 단계; 및
제 2 스캐닝 스피드로 상기 제 2 타겟 영역에서 상기 촛점을 스캐닝하는 단계를 포함하는,
레이저 시스템으로 스캐닝하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 타겟 영역은 렌즈 영역 및 백내장 영역 중 적어도 하나이고, 그리고
상기 제 2 타겟 영역은 각막 영역인,
레이저 시스템으로 스캐닝하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 타겟 영역은 각막 영역이고, 그리고
상기 제 2 타겟 영역은 렌즈 영역 및 백내장 영역 중 적어도 하나인,
레이저 시스템으로 스캐닝하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 반복률은 100 kHz 보다 작거나 같고, 그리고
상기 제 2 반복률은 100 kHz보다 큰,
레이저 시스템으로 스캐닝하는 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 2 반복률은 150 kHz인,
레이저 시스템으로 스캐닝하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 압축기 및 늘림기가 늘림-압축기에 집적되어 있는,
레이저 시스템으로 스캐닝하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 전기-광학 변조기는 상기 증폭기에서 상기 늘림 펄스들의 편광 평면을 회전시키도록 구성된 스위칭 가능 편광자를 포함하며,
상기 스위칭 가능 편광자는 5 ns 보다 작은 상승시간을 갖는,
레이저 시스템으로 스캐닝하는 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 스캐닝 레이저 전달 시스템은,
상기 스위칭 가능 편광자로 하여금 5 ns보다 작은 상승 시간으로 스위칭하게 하도록 상기 스위칭 가능 편광자에 제어 신호들을 인가하도록 구성되는 제어 전자 장치를 포함하는,
레이저 시스템으로 스캐닝하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 반복률을 제 2 반복률로 변경하는 단계는,
상기 전기-광학 변조기에 의해 상기 증폭기로부터 상기 레이저 펄스들을 출력하는 단계 이전에 레이저 펄스들의 왕복 횟수를 변경하는 단계를 포함하는,
레이저 시스템으로 스캐닝하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 반복률을 제 2 반복률로 변경하는 단계는,
1 μsec-1 sec의 범위의 시간에서 상기 제 1 반복률을 상기 제 2 반복률로 변경하는 단계를 포함하는,
레이저 시스템으로 스캐닝하는 방법.
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