KR20170137406A - 의료용 피코초 펄스 레이저 구동 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 의료용 피코초 펄스 발생장치의 펄스 제어 장치에 관한 것으로, 고출력 펄스의 스위칭 속도를 수 피코(ps)대의 고속으로 수행할 수 있도록 하기 위한 고출력 펄스 제어 장치에 관한 것이다. 이를 위해서 제1비선형소자(107) 및 제2비선형소자(109)를 공진기(106) 내부에 위치시키고, 제1비선형소자(107) 및 제2비선형소자(109)를 통해서 고출력 피코초 펄스 레이저를 생성하도록 하는 것을 특징으로 한다. 상기 제1구동장치(105) 및 제2구동장치(110)에 의해서 제1비선형소자(107) 및 제2비선형소자(109)가 정밀하게 제어되기 위해서 별도로 고속신호 발생 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

의료용 피코초 펄스 레이저 구동 장치 및 방법{MEDICAL PICOSECOND PULSE LASER DRIVE APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 의료용 피코초 펄스 레이저 발생장치의 펄스 제어 장치에 관한 것으로, 고출력 펄스의 스위칭 속도를 수 피코(ps)대의 고속으로 수행할 수 있도록 하기 위한 고출력 펄스 제어 장치에 관한 것이다.
피코초 펄스 레이저는 IT, NT, BT, ET 등 다양한 분야에서 연구 및 응용되고 있다. 초미세 가공 분야에서는 열 영향 영역이나 열 손상 및 갈라진 틈 등을 최소화하여 가공할 수 있으며 레이저의 비선형 광학 현상에 의해서 가공되므로 미세한 형상의 가공이 가능하므로 정밀가공이 있어야 하는 분야에 활발히 활용되고 있다.
본 발명은 의료용 치료 분야에서 고출력의 피코초 펄스 레이저에 의해 주위 조직에 손상을 주지 않으며 미세 치료가 가능한 것에 관한 것이다.
피부 치료에서 고출력 피코초 펄스 레이저는 열 이완시간 이내의 짧은 펄스를 조직에 전달할 수 있으므로, 레이저에 의한 색소 병변은 색소에 대한 흡수율이 물에 대한 흡수율보다 상대적으로 낮은 관계로 높은 출력을 요구하는 것을 해결하여 기존 나노초 단위의 레이저에 비해 본 발명의 고출력의 피코초 펄스 레이저에 의해서 색소 입자들을 효율적으로 파괴 또는 붕괴시킬 수 있으므로 문신제거 또는 기미등의 색소 병변에 치료효과가 우수하다고 볼 수 있다. 상기 고출력 피코초 펄스 레이저는 수 ps의 극초단 펄스 지속 시간 및 높은 펄스당 피크 출력을 하는 레이저 에너지를 생성하는 것을 말한다.
레이저를 짧은 펄스형태로 발진하는 방식은 크게 두 가지 방식으로 분류된다. Q-스위칭(Q-switching) 방식과 모드 락킹(mode-locking) 방식으로 나뉜다. 이 방식들을 구현하기 위한 여러 방법이 개발되었다. 공진기 내부에 능동 진폭 또는 주파수 전기 광학 변조(active amplitude or frequency modulation)방법, 포화 흡수체(saturable absorbor)를 통한 수동 변조방법, 동기 이득 변조(synchronous gain modulation) 방법 등이 있다. 이 방법들은 필요한 목적에 따라 Q-스위칭 방식에, 때로는 모드 락킹 방식에 사용된다. 일반적으로 Q-스위칭 방식은 펄스당 높은 에너지를 얻기 위해 유리하며, 모드 락킹 방식은 짧은 펄스를 얻기에 유리하다. 그래서 피코초 레이저 펄스의 발전 역사는 바로 이 모드 락킹 방식의 발전과 일치한다.
능동형은 출력을 안정화하는 전자 회로 구성 등 전체적인 시스템이 복잡하고, 장시간 안정적인 모드 락킹 발진에 어려움이 있다. 반면 수동형 방식은 포화 흡수체를 사용하므로 모드 락킹 제어에 어려움이 있다.
피코초 영역의 펄스를 구현하기 위해서는 전통적으로 모드 락킹 기술이 주로 사용되고 있으나 이 기술로 생성할 수 있는 출력은 ~ 수십 mJ 정도이며, 의료분야의 색소치료용으로 사용되기 위해서는 최소 ~ 수백 mJ의 출력이 필요하다. 수백 mJ 급의 출력을 하는 피코초 펄스 생성기술은 최소 2~3가지 정도의 펄스 생성기술이 필요하다.
큐스위칭과 모드락킹을 이용한 방법이나 큐스위칭과 케비티 덤핑(Cavity Dumping) 또는 펄스 슬라이싱(Pulse Slicing)등을 조합한 능동제어 스위칭 기술과 유도 브릴루안 산란(Stimulated Brillouin Scattering, SBS)와 같은 수동제어 압축기술을 이용하면 고 출력의 피코초 영역의 펄스를 생성할 수 있다.
상기와 같이 펄스 생성 기술을 조합하여 피코초 펄스 레이저를 발생하기 위해서는 펄스 생성 기술의 결합에서 고속의 신호 동기가 필요하다.
상기와 같은 의료용 피코초 펄스 레이저 구동 장치와 관련된 선행기술로는 출원특허 제10-2015-0115349 및 10-2007-0133032 가 공지되어 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 외부에서 레이저를 발생시키기 위한 신호를 입력 장치(101); 공진기(106); 제1제어기(102); 제1구동장치(105); 제1비선형소자(107); 고속신호 발생장치(104); 제2제어기(103); 제2비선형소자(109); 제2구동장치(110)를 포함하는 의료용 피코초 펄스 레이저 구동 장치를 제공하는 것이다. 상기 고속신호 발생장치(104)에 의해서 제2구동장치를 실시간으로 정밀하게 스위칭 신호를 발생하고 동기화를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해서, 제1비선형소자(107) 및 제2비선형소자(109)를 공진기(106) 내부에 위치시키고, 제1비선형소자(107) 및 제2비선형소자(109)를 통해서 고출력 피코초 펄스 레이저를 생성하도록 하는 것을 특징으로 한다. 상기 제1구동장치(105) 및 제2구동장치(110)에 의해서 제1비선형소자(107) 및 제2비선형소자(109)가 정밀하게 제어되기 위해서 별도로 고속신호 발생장치(104)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 상기 고속신호 발생장치(104)는 실시간 고속 정밀 제어를 위해서 FPGA등의 하드웨어에 의해서 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 피코초 펄스 레이저에 의한 색소 병변의 치료에서, 색소 병변은 색소에 대한 흡수율이 물에 대한 흡수율보다 상대적으로 낮은 관계로 높은 출력을 요구하는 것을 해결하여 기존 나노초 단위의 레이저에 비해 본 발명의 고출력의 피코초 펄스 레이저에 의해서 색소 입자들을 효율적으로 파괴 또는 붕괴시킬 수 있으므로 문신제거 및 기미등의 색소 병변에 치료효과가 우수하다.
도 1은 본 발명의 고출력 피코초 펄스 레이저 생성 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 큐스위치 구동 신호 흐름에 관한 도면이다.
도 3은 본 발명에 의해 구현된 피코초 펄스 레이저 신호에 관한 도면이다.
도 1은 본 발명의 고출력 피코초 펄스 레이저 생성 장치의 개략도로서, 피코초 펄스 레이저를 생성하기 위해서 공진기(106)는 제1비선형소자(107), 레이저발생소자(108) 및 제2비선형소자(109)를 포함한다. 본 발명에서는 상기 공진기(106)에서 고출력 피코초 펄스 레이저를 발생시키기 위한 자명한 기술은 표기하지 않았다.
펌핑 광원으로 레이저발생소자(108)를 펌핑하면 레이저가 발진하게 된다. 상기 발진 된 레이저는 수백 피코초 또는 서브 나노초(subnanosecond)급 펄스를 갖는 광펄스를 생성하기 위해서 제1비선형소자(107)와 제2비선형소자(109)를 위치 시키고, 외부에서 레이저를 발생시키기 위한 신호를 입력 장치(101)에 의해서 입력되면 제1제어기(102)는 상기 레이저를 발생시키기 위한 신호를 제1구동장치(105)에 전달하여 제1구동장치(105)에 의해서 제1비선형소자(107)를 구동하도록 한다. 상기 제1비선형소자(107)의 구동에 의해서 발진 된 레이저는 제1레이저 Q 스위칭 광펄스를 생성하게 된다. 상기 제1제어기에서 제1구동장치(105)에 레이저를 발생시키기 위해서 전달된 신호는 동시에 고속신호 발생장치(104)로 전달된다.
상기 고속신호 발생장치(104)에 전달된 상기 제1제어기의 신호는 일정시간 경과 후 제1비선형소자(107)의 광스위칭 작용에 의해서 제1레이저 Q 스위칭 광펄스가 생성되기 전에 제2비선형소자(109)를 구동하기 위해서 고속신호 발생장치(104)에서는 제2구동장치(110)에 제2구동장치를 구동하기 위한 신호를 전달하여 제2구동장치(110)에 의해서 제2비선형소자(109)가 구동된다. 일정시간 경과 후 제1비선형소자(107)에 의해서 생서된 제1 Q 스위칭 광펄스가 출현되는 시점에서 제2비선형소자(109)에 의해서 추출하고자 하는 피코초 펄스 시간만큼의 시간 동안 제2 Q 스위칭 신호의 펄스가 인가되면 공진기에서 광증폭을 일으키고, 일정시간 후에 또 한 번 펄스를 제2비선형소자에 인가하여 피코초 광펄스를 생성한다.
도 2는 본 발명의 큐스위치 구동 신호 흐름에 관한 도면으로서, 기존 Q 스위칭 방법은 Q 트리거 신호 후 일정시간이 지난 후(Laser Buildup Time) 높은 첨두 출력을 갖는 수 나노초에서 수십 나노초의 펄스를 생성한다. 수백 피코초 또는 서브 나노초(subnanosecond)급 펄스를 갖는 광펄스를 생성하기 위해 광스위칭 소자에 Q 스위칭 트리거 펄스를 인가하고(T1) 일정시간 경과 후(Δt1) 레이저 Q 스위칭 광펄스가 출현하기 전에 두번째 Q 스위칭 트리거 펄스를 인가하고(T2) 일정시간 경과 후(Δt2) Q 스위칭 광펄스가 생성되는 시점(T3)에서 광스위칭 소자에 추출하고자 하는 피코초 펄스 시간만큼의 시간 Q 스위칭 신호의 펄스가 인가되면 공진기에서 광증폭을 일으키고 일정시간 후(Δt3)에 또 한 번 펄스를 광스위칭 소자에 인가 하 피코초 광펄스를 추출하는 원리이다. 본 발명을 위해 공진기의 광스위칭 소자는 1개 또는 2개를 사용할 수 있고, Q 스위칭 시퀀스 설계에 따라서 변경될 수 있다.
101 : 입력장치 102 : 제1제어기
103 : 제2제어기 104 : 고속신호 발생 장치
105 : 제1구동장치 106 : 공진기
107 : 제1비선형소자 108 : 레이저 발생 소자
109 : 제2비선형소자 110 : 제2구동장치

Claims (6)

  1. 의료용 피코초 펄스 레이저 구동 장치에서,
    레이저를 발생시키기 위한 레이저 발생소자를 포함하는 공진기;
    고출력 서브 나노초 펄스 레이저를 만들기 위한 제1비선형소자;
    고출력 피코초 펄스 레이저를 만들기 위한 제2비선형소자;
    상기 제1비선형소자 및 제2비선형소자를 구동하기 위한 제1구동장치 및 제2구동장치;
    상기 제1구동장치를 구동하기 위한 제1제어기;
    상기 제2구동장치를 구동하기 위한 제2제어기 및 고속신호 발생장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 피코초 펄스 레이저 발생 장치.
  2. 청구항 1에서, 제1비선형소자 및 제2비선형소자는 DKDP인 것을 특징으로 하는 피코초 펄스 레이저 발생 장치.
  3. 청구항 1에서, 레이저발생소자는 Nd:YAG인 것을 특징으로 하는 피코초 펄스 레이저 발생 장치.
  4. 청구항 1에서, 레이저발생소자를 펌핑 하기 위해서 레이저 또는 아크 램프 중 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 피코초 펄스 레이저 발생 장치.
  5. 청구항 1에서, 고출력 피코초 펄스 레이저의 검출 소자는 광검출기인 것을 특징으로 하는 피코초 펄스 레이저 발생 장치.
  6. 청구항 1에서, 고속 신호 발생 장치는 FPGA로 구현되는 것을 특징으로 하는 피코초 펄스 레이저 발생 장치.
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