KR20190040674A - Laser generation device - Google Patents

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Abstract

The present invention is to generate a nanosecond pulse laser and a picosecond pulse laser using one resonator as necessary, in order to generate a nanosecond pulse laser and a high- output picosecond pulse laser. To this end, a first optical switching element (105) and a second optical switching element (102) are positioned inside the resonator, and the nanosecond pulse laser and the high-output picosecond pulse laser are generated through the first optical switching element (105) and the second optical switching element (102).

Description

레이저 발생장치{LASER GENERATION DEVICE}[0001] LASER GENERATION DEVICE [0002]

본 발명은 레이저 펄스발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내부 에너지를 저장하였다가 강한 Pulse 형태로 한꺼번에 방출하여 최고출력을 올리는 Q-Switching 기술과 높은 피크 출력을 갖는 피코초 레이저펄스의 발생에 관한 기술이다.
More particularly, the present invention relates to a Q-switching technique for storing internal energy and then releasing the energy in a strong pulse form at a time to increase the peak power, and for generating a picosecond laser pulse having a high peak output Technology.

본 발명은 의료용 치료 분야에서 나노초 펄스레이저 와 고출력의 피코초펄스 레이저에 의해 주위조직에 손상을 주지 않으며 미세 치료가 가능하도록 한 것에 관한 것이다. 피부 치료에서 고출력 피코초펄스 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 피코초펄스 레이저에 의해서 색소 입자들을 효율적으로 파괴 또는 붕괴시킬 수 있으므로 문신제거 및 기미 등의 색소 병변에 치료효과가 우수하다고 볼 수 있다. 상기 고출력 피코초 펄스 레이저는 수십~수백 picosecond 의 극초단 펄스 지속 시간 및 높은 펄스당 피크 출력을 구현하여 레이저 에너지를 생성하는 것을 말한다.The present invention relates to a nanosecond pulsed laser and a high-power picosecond pulsed laser in the medical treatment field, which enables fine treatment without damaging surrounding tissues. In skin treatment, high-power picosecond pulse lasers can transmit short pulses within a thermal relaxation time to tissues, so laser-induced pigment lesions require high power because of their relatively low water absorption rate to dye It is possible to efficiently break down or collapse pigment particles by the high power picosecond pulsed laser of the present invention as compared with the conventional nanosecond unit laser, so that the treatment effect is excellent in the pigment lesions such as tattoo removal and stain. The high power picosecond pulsed laser means that laser energy is generated by implementing a pulse duration of several tens to several hundreds picoseconds and a peak output per a high pulse.

레이저를 짧은 펄스형태로 발진하는 방식은 크게 두 가지 방식으로 분류된다. The method of oscillating the laser in a short pulse shape is largely divided into two methods.

Q-스위칭(Q-switching) 방식과 모드 락킹(mode-locking) 방식으로 나뉜다. 이 방식들을 구현하기 위한 여러 방법이 개발되었다. 공진기 내부에 능동 진폭변조 또는 주파수 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 펄스의 높은 첨두출력을 얻기에 유리하다. 그래서 피코초 레이저펄스의 발전 역사는 바로 이 모드 락킹 방식의 발전과 일치한다.Q-switching method and mode-locking method. Several methods have been developed to implement these schemes. There are active amplitude or frequency modulation methods in the resonator, manual modulation methods using saturable absorbers, and synchronous gain modulation methods. These methods are used for Q-switching, sometimes mode locking, depending on the purpose. In general, the Q-switching scheme is advantageous for obtaining high energy per pulse, and the mode locking scheme is advantageous for obtaining a high peak output of a short pulse. So the development history of pico-second laser pulses is consistent with the development of this mode locking method.

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 모드락킹(Mode-Locking) 기술이 주로 사용되고 있으나 이 기술로 생성할 수 있는 출력은 수십mJ 정도 이며, 의료분야의 색소치료용으로 사용되기 위해서는 최소 ~수백mJ의 출력이 필요하다. The active system has a complicated overall system such as an electronic circuit configuration for stabilizing the output, and has difficulty in stable mode locking oscillation for a long time. On the other hand, the passive type uses a saturated absorber, which makes it difficult to control the mode locking. In order to implement a pulse in the picosecond range, mode-locking technology has been used in the past, but the output power of the technique is tens of mJ. The output of mJ is required.

수백mJ급의 출력을 발생하는 피코초펄스 생성기술은 최소 2~3가지 정도의 펄스생성기술이 필요하다. Q-스위칭과 모드락킹을 이용한 방법이나 Q-스위칭과 케비티 덤핑(Cavity Dumping) 또는 펄스 슬라이싱(Pulse Slicing)등을 조합한 능동제어 스위칭기술과 유도 브릴루안 산란(Stimulated Brillouin Scattering, SBS)와 같은 수동제어 압축기술을 이용하면 고출력의 피코초 영역의 펄스를 생성할 수 있다. 상기와 같은 피코초 펄스레이저장치에 관한 선행기술로는 출원특허 제10-2015-0115349 및 10-2007-0133032가 공지 되어 있다.
A picosecond pulse generation technique that produces an output of several hundreds of mJ requires at least two or three pulse generation techniques. Such as active control switching technology combining Q-switching and mode locking, Q-switching, cavity dumping or pulse slicing, and stimulated Brillouin scattering (SBS) Using manual control compression techniques, pulses in the high power picosecond range can be generated. Prior arts relating to the above-mentioned picosecond pulse laser device are known from Japanese Patent Application Nos. 10-2015-0115349 and 10-2007-0133032.

기존의 Nano초 펄스레이저로 시술이 어려운 병변에는 별도의 Pico초 펄스레이저를 사용하여 추가 시술을 하여야 할 필요성이 대두되고 있으며 이 경우 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저장비 2대를 별도로 운용하기에는 불편한 상황임, 대안으로 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저 2종류의 공진기를 하나의 장비에 탑재 할 경우는 장비가 대형화가 되어 실제 제품화 에는 많은 어려움이 있다. 따라서 Nano초 펄스레이저 와 고출력 Pico초 펄스레이저를 발생시키며 이를 복합하여 순차적으로 조사하거나 교차하여 조사 할 수 있도록 하고자 함
In this case, it is inconvenient to operate two Nano second pulsed laser and two Pico second pulsed laser devices separately. In this case, it is necessary to perform additional procedures using a separate Pico second pulse laser for lesions difficult to perform with the conventional Nano second pulse laser. In case of mounting two resonators of Nano second pulse laser and Pico second pulse laser in one equipment, there is a great difficulty in realizing the product by enlarging the equipment. Therefore, it is necessary to generate a Nano second pulse laser and a high power Pico second pulse laser so that they can be sequentially irradiated or crossed.

수백 피코초 또는 나노초(nano second)급 펄스를 갖는 광펄스를 생성하기 위해서 제1 광switching 소자(105)와 제2 광switching 소자(102)를 공진기 내부에 위치시키고, 제1 광switching 소자(105)에 Q-스위칭 Trigger펄스를 인가하고, 일정시간 경과후 제1 광switching 소자(105)의 광 switching작용에 의해서 제1레이저 Q-스위칭 광펄스가 생성되기 전에 제2 광switching 소자(102)에 Q-스위칭 Trigger펄스를 인가하고, 일정시간 경과후 제1 광switching 소자(105)에 의해서 생성된 제1 Q-스위칭 광펄스가 생성되는 시점에서 제2 광switching 소자(102)에 의해서 추출하고자 하는 피코초펄스 시간만큼 제2 Q-스위칭신호의 펄스가 인가되면 공진기에서 광증폭을 일으키고, 일정시간 후에 또 한번 펄스를 제2 광switching소자에 인가하여 고출력 피코초광펄스를 추출한다.
The first optical switching element 105 and the second optical switching element 102 are positioned in the resonator in order to generate optical pulses having hundreds of picoseconds or nano second class pulses and the first optical switching element 105 Switching trigger pulse is applied to the second optical switching element 102 before a first laser Q-switching optical pulse is generated by the optical switching action of the first optical switching element 105 after a lapse of a predetermined time Switching trigger pulse is applied to the first optical switching element 102 and a second Q switching optical pulse generated by the first optical switching element 105 is generated after a predetermined time elapses, When the pulse of the second Q-switching signal is applied by the pico-second pulse time, optical amplification is caused in the resonator, and after a predetermined time, the pulse is applied to the second optical switching element again to extract the high-

본 발명에서는 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 하나의 공진기로 일체화 함으로서 Simple하고 Compact한 장비가 되며, 필요에 따라 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 발생 시킬수 있는 장점이 있다, 실예로 피코초 펄스레이저에 의한 색소병변의 치료에서, 색소병변은 색소에 대한 흡수율이 물에 대한 흡수율보다 상대적으로 낮은 관계로 높은 출력을 요구하는 것을 해결하여 기존 나노초 단위의 레이저 시술에 더하여 본 발명의 고출력의 피코초 펄스레이저에 의해서 색소입자들을 효율적으로 파괴 또는 붕괴 시킬수 있으므로 문신제거 및 기미 등의 색소병변에 치료효과가 우수하다.
In the present invention, the Nano second pulse laser and the Pico second pulse laser are integrated into a single resonator to be a simple and compact device. If necessary, the Nano second pulse laser and the Pico second pulse laser can be generated. In the treatment of pigment lesions by a pulsed laser, the pigment lesion is relatively low in water absorption rate to water, so that it requires a high output. In addition to the conventional nanosecond laser treatment, the high power The picosecond pulsed laser can efficiently break down or collapse pigment particles, so that it has excellent therapeutic effect on pigment lesions such as tattoo removal and stain.

도1은 본발명의 고출력 피코초 펄스레이저 생성장치의 개략도이다.
도2는 본발명의 고출력 피코초 펄스레이저의 큐스위치 구동신호 흐름에 관한 도면이다.
도3은 기존의 나노초 펄스레이저 생성장치의 개략도 이다.
도4는 기존의 나노초 큐스위치 구동펄스 파형
도5는 나노초 펄스레이저와 피코초 펄스레이저를 복합하여 조사하는 Time Chart1 is a schematic view of a high power picosecond pulse laser generating apparatus according to the present invention.
2 is a diagram illustrating a flow of a cue switch driving signal of the high-power picosecond pulse laser of the present invention.
3 is a schematic diagram of a conventional nanosecond pulse laser generator.
Fig. 4 is a graph showing the waveforms of the conventional nanosecond-
FIG. 5 is a time chart illustrating a combination of a nanosecond pulse laser and a picosecond pulse laser.

도1은 본 발명의 피코초 펄스레이저 생성장치의 개략도로서, 펌핑광원으로 레이저이득매질(103)을 펌핑하면 일정시간 경과 후에 레이저가 발진하게 된다. 상기 발진된 레이저는 수백피코초 또는 서브나노초(sub-nanosecond)급 펄스를 갖는 광펄스를 생성하기 위해서 제1 광switching 소자(105)와 제2 광switching 소자(102)를 공진기내부에 위치시키고, 제1 광switching 소자(105)에 Q-스위칭 Trigger 펄스를 인가하고, 일정시간 경과후 제1 광switching 소자(105)의 광 스위칭작용에 의해서 제1레이저 Q-스위칭광 펄스가 생성 되기전에 제2 광switching 소자(102)에 Q-스위칭 Trigger펄스를 인가하고, 일정시간 경과후 제1 광switching 소자(105)에 의해서 생성된 제1 Q-스위칭광펄스가 생성되는 시점에서 제2 광switching소자(102)에 의해서 추출하고자 하는 피코초 펄스시간 만큼의 시간을 제2 Q-스위칭신호의 펄스로 인가되면 공진기에서 자체주입 광증폭을 일으키고, 광증폭의 최대치가 되는 시간 후에 또 한번 펄스를 제2 광스위칭소자에 인가하여 피코초광펄스를 추출한다. 상기 생성된 피코초 광펄스의 출력은 편광기(104)를 통해 방출된다. 공진기거울(101,107)의 어느 하나는 전반사 또다른 하나는 부분반사 코팅을 하여 부분반사 코팅된 거울을 통해 일부 광이 방출되도록 한다.FIG. 1 is a schematic diagram of a picosecond pulse laser generating apparatus according to the present invention. When a laser gain medium 103 is pumped as a pumping light source, the laser oscillates after a predetermined time elapses. The oscillated laser places the first optical switching element 105 and the second optical switching element 102 inside the resonator in order to generate optical pulses with hundreds of picoseconds or sub-nanosecond pulses, Switching pulses are applied to the first optical switching element 105, and after a certain time elapses, by the optical switching action of the first optical switching element 105, before the first laser Q-switching optical pulse is generated, Switching trigger pulse is applied to the optical switching element 102 and a first Q-switching optical pulse generated by the first optical switching element 105 is generated after a lapse of a predetermined time, 102 is applied as a pulse of the second Q-switching signal, the self-injected optical amplification is caused in the resonator, and after the time when the optical amplification reaches the maximum value, Is applied to the switching element Nose extracts ultra-wide pulse. The output of the generated picosecond light pulse is emitted through the polarizer 104. One of the resonator mirrors 101 and 107 is totally reflected and the other is partially reflective coated so that some light is emitted through a partially reflective coated mirror.

도2는 본 발명의 큐스위치 구동신호 흐름에 관한 도면으로서, 기존 Q-스위칭방법은 Q-Trigger신호후 일정시간이 지난후(Laser Build up Time) 높은 첨두출력을 갖는 수나노초에서 수십나노초의 펄스를 생성한다. 수백피코초 또는 서브나노초(sub-nanosecond)급 펄스를 갖는 광펄스를 생성하기 위해 광switching 소자에 Q-스위칭Trigger 펄스를 인가하고(T1) 일정시간 경과후(ΔΔt1) 레이저 Q-스위칭 광펄스가 출현하기 전에 두번째 Q-스위칭 Trigger펄스를 인가하고(T2) 일정시간 경과후(ΔΔt2) Q-스위칭 광펄스가 생성되는 시점(T3)에서 광 스위칭 소자에 추출하고자 하는 피코초펄스시간 만큼의 시간 Q-스위칭신호의 펄스가 인가되면 공진기에서 자체주입 광증폭을 일으키고 일정시간후(ΔΔt3)에 또한번 펄스를 광 스위칭소자에 인가하여 피코초광펄스를 추출하는 원리이다. FIG. 2 is a diagram of a queue switch driving signal flow according to the present invention. In the conventional Q-switching method, a pulse of several nanoseconds to tens of nanoseconds having a high peak output after a certain time (Laser Build up Time) . Switching trigger pulse is applied (T1) to the optical switching element to generate a light pulse having a pulse of several hundred picoseconds or sub-nanoseconds (T1) and a laser Q-switching optical pulse A second Q-switching Trigger pulse is applied (T2) before the appearance of the Q-switching pulse, and a time Q (t) of the picosecond pulse time to be extracted to the optical switching element at a time point (T3) - When a pulse of a switching signal is applied, the resonator amplifies self-injection light, and after a certain time (ΔΔt3), a pulse is applied to the optical switching element again to extract a picosecond pulse.

도3은 제1 광 switching 소자(105)의 광 스위칭작용에 의해서 제1 레이저 Q-스위칭 광펄스를 생성하는 개략도로 도4에서와 같이 Q-Trigger 신호후 Q-스위칭펄스가 생성되게 된다. 전술한 제1 광 switching 소자(105)와 제2 광 switching 소자(102)는 전기광학적 Q-스위칭에 사용되는 Crystal로 마치 Shutter와 같은 역할을 하는 것으로 일반적인 작동 메커니즘으로 전기광학적 Q-스위칭소자에 전원이 off 인 경우 레이저광을 그냥 통과 시키고 전원이 on 인 경우는 전기광학적 Q-스위칭이 되게 한다. 이를 상세히 설명하면 제1 광 switching 소자(105)의 전원이 on 이고 제2 광 스위칭 소자(102)의 전원이 off 상태에서는 Nano초의 Pulse Laser가 발생하고, 제1 광 switching 소자(105)의 전원이 on 이고 제2 광 switching 소자(102)의 전원이 on 상태에서는 Pico초의 Pulse Laser가 발생하게 된다. FIG. 3 is a schematic diagram for generating a first laser Q-switching optical pulse by the optical switching action of the first optical switching element 105, and a Q-switching pulse is generated after the Q-trigger signal as shown in FIG. The first optical switching element 105 and the second optical switching element 102 described above are used for electro-optical Q-switching and act as if they are shutters. As a general operating mechanism, the electro-optical Q- Is turned off, the laser beam is passed through, and when the power is on, electro-optical Q-switching is performed. In detail, when the power of the first optical switching element 105 is on and the power of the second optical switching element 102 is off, Nano second pulse laser is generated, and the power of the first optical switching element 105 and when the power of the second optical switching element 102 is on, a pulse laser of Pico seconds is generated.

본 발명에서는 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 하나의 공진기로 일체화 하며, 광 switching 소자 만을 추가 함으로서 Simple하고 Compact한 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 발생시키는 복합 장비가 되어, 필요에 따라 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 발생 시킬수 있게 된다. 본 발명을 위해 공진기의 광 switching 소자는 1개 또는 2개를 사용할수 있고, Q-스위칭 시퀀스 설계에 따라서 변경될수 있다.In the present invention, the Nano second pulse laser and the Pico second pulse laser are integrated by a single resonator, and only the optical switching element is added, so that a simple and compact Nano second pulse laser and a Pico second pulse laser are generated. Nano second pulse laser and Pico second pulse laser can be generated. For the present invention, one or two optical switching elements of the resonator can be used and can be changed according to the Q-switching sequence design.

도5에서는 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 일체화 한 장비에 있어서 실제로 이를 이용하여 도5 (a)에서와 같이 Pico초 펄스레이저를 연속으로 조사하다가 Nano초 펄스레이저를 연속으로 조사 하거나 또는 (b)에서와 같이 Pico초 펄스레이저 와 Nano초 펄스레이저를 교차하면서 조사하는 등 다양한 mode로 combination하여 시술효과를 기대할 수 있다. 이때 Nano초 펄스의 duration은 통상 40 nano-second 이하이고 Pico초 펄스의 duration은 900 pico-second 이하이다.In FIG. 5, in an apparatus in which a Nano second pulse laser and a Pico second pulse laser are integrated, the Pico second pulse laser is successively irradiated as shown in FIG. 5 (a) As shown in b), the Pico pulsed laser and the Nano pulsed laser can be crossed and irradiated while being combined in various modes. The duration of the Nano second pulse is typically less than 40 nano-second and the duration of the Pico second pulse is less than 900 pico-second.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
Although the preferred embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. These changes and modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the scope of the present invention should be determined by the following claims.

101 : 공진기거울 102 : 제2 광Switching소자
103 : 레이저 이득매질 104 : 편광기
105 : 제1 광Switching소자 106 : 파장판
107 : 공진기거울 108 : 제1 광Switching소자에 가해지는 신호
109 : 실제 발생되는 Pulse 전압101: Resonator mirror 102: Second optical switching device
103: laser gain medium 104: polarizer
105: first optical switching element 106: wavelength plate
107: resonator mirror 108: signal applied to the first optical switching element
109: Actual pulse voltage

Claims (3)

레이저발생장치에서, 레이저를 발생시키기 위한 레이저 이득매질;
나노초 펄스레이저를 만들기 위한 제1 광스위칭소자;
고출력 피코초 펄스레이저를 만들기 위한 제2 광스위칭소자;
상기 고출력 피코초펄스레이저를 공진기에서 출력하기 위한 공진기거울;
로 구성된 하나의 공진기에서 광스위칭소자의 작동 유무에 따라 나노초 펄스레이저 와 피코초 펄스레이저가 발생되는 것을 특징으로 하는 레이저 발생장치
A laser generating apparatus, comprising: a laser gain medium for generating a laser;
A first optical switching element for making a nanosecond pulse laser;
A second optical switching element for making a high output picosecond pulse laser;
A resonator mirror for outputting the high-power picosecond pulse laser from a resonator;
Wherein a nanosecond pulse laser and a picosecond pulse laser are generated according to the presence or absence of the operation of the optical switching element in one resonator constituted by the laser generator
레이저발생장치에서, 레이저를 발생시키기 위한 레이저 이득매질;
나노초 펄스레이저를 만들기 위한 제1 광스위칭소자;
고출력 피코초 펄스레이저를 만들기 위한 제2 광스위칭소자;
상기 고출력 피코초펄스레이저를 공진기에서 출력하기 위한 공진기거울;
로 구성된 하나의 공진기에서 광스위칭소자의 작동 유무에 따라 나노초 펄스레이저 와 피코초 펄스레이저가 발생되는 레이저 발생장치에 있어서,
피코초 펄스레이저 와 나노초 펄스레이저를 교차하면서 조사하는 Hybrid mode의 레이저 발생방법
A laser generating apparatus, comprising: a laser gain medium for generating a laser;
A first optical switching element for making a nanosecond pulse laser;
A second optical switching element for making a high output picosecond pulse laser;
A resonator mirror for outputting the high-power picosecond pulse laser from a resonator;
In the laser generator, a nanosecond pulse laser and a picosecond pulse laser are generated according to the presence or absence of the operation of the optical switching element in one resonator constituted by the resonator,
Hybrid mode laser generation method in which picosecond pulse laser and nanosecond pulsed laser are crossed
레이저발생장치에서, 레이저를 발생시키기 위한 레이저 이득매질;
나노초 펄스레이저를 만들기 위한 제1 광스위칭소자;
고출력 피코초 펄스레이저를 만들기 위한 제2 광스위칭소자;
상기 고출력 피코초펄스레이저를 공진기에서 출력하기 위한 공진기거울;
로 구성된 하나의 공진기에서 광스위칭소자의 작동 유무에 따라 나노초 펄스레이저 와 피코초 펄스레이저가 발생되는 레이저 발생장치에 있어서,
피코초 펄스레이저 와 나노초 펄스레이저를 순차적으로 조사하는 Hybrid mode의 레이저 발생방법

A laser generating apparatus, comprising: a laser gain medium for generating a laser;
A first optical switching element for making a nanosecond pulse laser;
A second optical switching element for making a high output picosecond pulse laser;
A resonator mirror for outputting the high-power picosecond pulse laser from a resonator;
In the laser generator, a nanosecond pulse laser and a picosecond pulse laser are generated according to the presence or absence of the operation of the optical switching element in one resonator constituted by the resonator,
Hybrid mode laser generation method which sequentially irradiates picosecond pulsed laser and nanosecond pulsed laser

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