KR20190044227A - 레이저 발생장치 - Google Patents

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Abstract

다양한 파장의 레이저를 하나의 매질이나 공진기로 구현하고자 하는데 755nm 파장을 갖는 Alexandrite 를 레이저매질로 하는 공진기는 레이저매질의 온도를 높이기 위하여 가열해 주어야 하며, 1067nm 파장을 갖는 Nd:YAG 를 매질로 하는 공진기의 경우는 반대로 냉각이 필요하다. 상기 서로 다른 파장대역을 갖는 두개의 레이저매질을 하나의 공진기에 탑재하여 각각의 파장이 갖는 다양한 치료영역의 시술이 가능하도록 한 레이저 발생장치에 대한 것이다.

Description

레이저 발생장치{LASER GENERATION DEVICE}
본 발명은 서로 다른 파장의 레이저를 일체화 시킨 레이저 발생장치에 관한 것이다.
일반적으로, 의료용 레이저 치료기기는 파장의 종류, 파장의 세기, 펄스의 길이에 의해 피부로 투과되는 깊이가 달라져 피부 병변에 따라 파장을 선택해 치료를 하게 되며, 피부 병변이 다양해지면서 치료 파장 또한 다양한 파장영역을 필요로 하게 되며, 선택된 파장을 발진시키기 위해 다양한 매질들을 사용하게 된다.
파장의 종류는 원하는 종류의 파장을 발생 파장 대역으로 갖고 있는 매질을 선택하거나 비선형 광학결정을 선택하여 원하는 파장으로 변환하여 사용하게 된다. 레이저 매질은 크게 고체, 액체, 기체로 분류되며, 액체와 기체의 경우는 꼭 필요한 파장이 아닌 경우 관리와 사용이 불편하여 주로 고체 매질을 사용하게 된다. 고체 레이저 매질로 가장 많이 사용하고 있는 Nd:YAG 매질은 YAG(yttrium alminium garnet)를 모체결정으로 하여 Nd3+ 이온이 3.0wt% 정도 활성물질로 첨가되는 4준위 레이저의 대표적 물질로 알려져 있으며 1064nm 파장의 광을 방출한다. 또 다른 고체레이저 매질로 755nm 파장을 갖는 Alexandrite, 2940nm 파장을 갖는 Er:yag 레이저 매질 등이 있다.
Nd:YAG 레이저는 융점과 경도가 높아 상온에서 연속 발진과 짧은 펄스(~1ps)의 동작이 모두 가능하여 펌핑을 위해 크세논(Xe) 또는 크립톤(Kr) 섬광전구를 사용하거나 다른 레이저 광을 사용하기도 한다. 우수한 물리적 특성 이외에도 광학적으로 1.823의 안정된 굴절률과 광학적 에너지 손실이 적어 1052 ~ 1444nm 영역의 발진 파장을 갖고 있어 세가지 파장의 레이저 매질로 적합하다.
파장의 세기는 증폭 또는 입력되는 전기적 에너지의 양을 늘려서 파장의 세기를 높이게 되며, 펄스의 길이는 전기적 에너지 양을 늘려 일정한 시간 동안 일정한 크기로 지속적으로 공급하면서 공급시간을 조절하여 펄스 길이를 조절한다. 이러한 형태의 레이저를 롱 펄스 레이저(Long pulse laser)라고 통칭한다. 롱 펄스 레이저는 치료 병변이 다양해지면서 피부 깊숙이 레이저 에너지를 치료 병변에 전달하기 위한 방법으로 사용되며, 선택된 파장을 수십 밀리초(mili-seconds) 동안 일정한 세기로 피부에 조사하게 되며, 롱펄스 레이저의 첨두 출력은 낮지만 피부 표피에 손상을 주지 않으면서 전체 조사되는 에너지는 10J 이상의 높은 에너지를 병변 부위에 조사함으로써 치료 효과를 높이는 것으로 주로 전원공급 장치인 PFN(Pulse forming network)의 설계에 따라 레이저 매질에 인가되는 전기적 에너지 공급 시간을 늘리면서 수십 밀리초(ms) 동안의 레이저 펄스를 얻을 수 있다.
의료용 레이저 장비로 사용하는 전원공급장치는 전기적 에너지 공급 용량과 장비 크기의 제한으로 인하여 파장의 세기, 펄스의 길이를 무한정 늘이기에는 어려움이 있다. 특히 532nm 파장의 경우 파장의 특성상 1064nm의 파장을 변환하여 사용하게 되는데, 이때 펄스의 길이가 길어진 롱 펄스를 사용할수록 변환 효율이 10% 미만으로 떨어지게 되어 실제 치료 영역에 적합한 출력을 얻을 수 없게 되는 문제가 있다.
다양한 파장의 레이저를 하나의 매질이나 공진기로 구현하게 되면 각종 이송장치의 사용이 많아져 레이저 광 정렬시 정확한 정렬이 어렵고, 롱 펄스 영역에서는 순간적으로 높은 전압과 많은 양의 전류를 사용하기 때문에 공진기 내부에 고열이 발생하게 되어 열에 의한 변형 요소가 많고, 광파와 외부 진동 같은 미세한 진동에 의해 장시간 사용시 레이저 광의 정렬이 변형될 수 있다. 레이저 광의 특성상 매질에 의해 결정된 특정 단색 파장만을 증폭하는 형태이므로, 이러한 열에 의한 변형과 레이저 광의 미세한 경로 변화도 레이저의 출력과 안정성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 상기와 같은 레이저장치에 관한 선행기술로는 등록특허: 제10-0624660 및 출원번호: 10-2007-0133032가 공지 되어 있다.
다양한 파장의 레이저를 하나의 매질이나 공진기로 구현하고자 하는데 755nm 파장을 갖는 Alexandrite 를 레이저매질로 하는 공진기는 레이저매질의 온도를 높이기 위하여 가열해 주어야 하며, 1064nm 파장을 갖는 Nd:YAG 를 매질로 하는 공진기의 경우는 반대로 냉각이 필요하다. 상기 서로 다른 파장대역을 갖는 두개의 레이저매질을 하나의 공진기에 탑재하여 각각의 파장이 갖는 치료영역의 시술이 가능한 레이저 장비를 구현하기 위하여 가열과 냉각의 모순을 해결하여야 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 755nm 파장을 갖는 Alexandrite 를 레이저매질로 하는 공진기는 레이저매질의 온도를 높이기 위하여 가열해 주기 위한 Heating Line을 구비한 레이저 발생장치와 이와는 별도로 1064nm 파장을 갖는 Nd:YAG 를 매질로 하는 공진기와 이 매질을 냉각시키기 위한 Cooling Line을 구비한 레이저 발생장치를 하나의 Frame에 탑재한다
본 발명에 의해 서로 다른 2종류의 파장을 하나의 공진기에 탑재하여 755nm 파장의 시술과 1064nm 파장의 레이저를 동시 또는 순차적으로 발생시켜 다양한 피부 병변에 적용가능한 레이저 치료기기의 개발이 가능하다.
도1은 종래의 펄스레이저 생성장치의 개략도이다.
도2는 종래의 서로 다른 2종류의 펄스레이저 생성장치의 개략도이다
도3은 본 발명에 의한 서로 다른 2종류의 펄스레이저 생성장치의 개략도 이다.
도4는 본 발명에 의한 서로 다른 2종류의 펄스를 발생시키기 위한 생성장치의 구성도 이다
도5는 본 발명에 의해 2종류의 펄스가 발생되는 Time Chart
도1은 특정 파장을 가진 레이저매질을 적용한 펄스레이저 생성장치의 개략도로 펄스발생부의 레이저매질로 Alexandrite를 적용한 경우는 755nm 파장의 레이저가 생성되고 Nd:YAG를 적용한 경우는 1064nm 파장의 레이저가 생성된다. 레이저매질 특성으로 Alexandrite인 경우는 온도를 높일수록 그리고 Nd:YAG인 경우는 반대로 온도를 낮출수록 레이저 발생효율은 좋아진다. 그러나 실제로 사용시 에는 온도를 지나치게 높이거나 낮출 경우 사용 재료의 내열 도는 내한 등으로 인한 문제들을 고려하여 일반적으로 Alexandrite인 경우는 50 ~ 90°C 범위에서, 그리고 Nd:YAG인 경우는 0 ~ 30°C 범위에서 사용된다.
755nm 파장 과 1064nm 파장의 레이저를 동시에 구현하기 위하여서는 도2에서와 같이 구비된 개략도 에서와 같이 Heater를 작동하여 Water Line의 가열된 물 또는 유체를 레이저매질(Alexandrite)에 흘려 레이저 매질을 최적의 온도조건으로 가열한 상태에서 755nm 파장의 레이저를 생성하고, 1064nm 파장의 레이저인 경우는 Radiator 또는 Chiller 등을 사용하여 Cooling Line에 냉각수를 레이저매질(Nd:YAG)의 온도를 낮춘 상태에서 레이저를 생성하게 된다. 이 경우 동일한 Water Line에 가열과 냉각을 하므로 가열된 상태에서 냉각 또는 냉각된 상태에서 가열로의 전환하여 레이저매질이 레이저를 발생시키기에 바람직한 온도에서 레이저를 생성하기에는 일정한 대기시간 즉 가열상태에서 냉각상태로 또는 냉각상태에서 가열상태로의 전환되는 시간이 필요하게 마련이다.
본 발명에서는 도3에서와 같이 가열이 필요한 레이저매질에는 Heating Line 그리고 냉각이 필요한 레이저매질에는 Cooling Line을 별도로 구비하여 요구하는 파장의 레이저를 필요에 따라 자유롭게 발생할 수 있도록 한 것이다. 좀더 상세히 설명하면 도4에서와 같이 Alexandrite를 적용한 레이저매질(202)로 부터 생성된 레이저빔은 공진기거울(201)에 의해 전반사 되어 상기 레이저매질에 입사되어 공진기거울(205)에 도달하고 그 일부분은 상기 레이저매질로 재반사 증폭되어 상기 755nm 파장의 레이저빔이 생성되는 공진기(200) 와 Nd:YAG를 적용한 레이저매질(302)로 부터 생성된 레이저빔은 공진기거울(301)에 의해 전반사 되어 상기 레이저매질에 입사되어 공진기거울(305)에 도달하고 그 일부분은 상기 레이저매질로 재반사 증폭되어 상기 1064nm 파장의 레이저빔이 생성되는 공진기(300) 에서 생성된 레이저빔은 빔전송거울(206,306)을 통하고 광화이버 등의 레이저빔 전달장치를 경유하여 시술부위에 조사하게 된다. 빔전송거울(206)은 755nm 파장의 빔은 전반사하여 전송하고, 1064nm 파장의 빔은 투과 한다.
도4는 상술한 바와 같이 755nm 파장의 레이저빔이 생성되는 공진기(200) 와 1064nm 파장의 레이저빔이 생성되는 공진기(300)를 하나의 Unit에 일체화 시킨 것으로 각각의 레이저매질에는 레이저 발생효율을 고려하여 Alexandrite 에는 Heating Line, Nd:YAG측에는 Cooling Line이 연결된다. Shutter(204)가 Open되고 Shutter(304)가 Off 인 경우는 755nm 파장의 레이저빔이 그리고 그 반대의 경우는 1064nm 파장의 레이저빔이 발생된다. Shutter는 통상 광학Shutter, Solenoid 같은 Actuator 를 사용한다.
상술한 바와 같이 생성되는 755nm 파장의 레이저빔 과 1064nm 파장의 레이저빔을 도5 (a)에서와 같이 대기시간 없이 교차하며 조사하거나 도5 (b)에서와 같이 755nm파장의 레이저 빔을 조사한 후 1064nm 파장의 레이저빔을 순차적으로 조사하는 등 다양한 mode로 시술할 수 있는 장점이 있으며, 이는 다양한 병변에 다양한 방법으로의 시술이 가능하게 해 준다.
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.
200 : 755nm 파장의 레이저를 생성하는 공진기
201 : 공진기 거울 202 : 레이저 매질(Alexandrite)
203 : 가열된 물 Line 204 : 광학 또는 기구Shutter
205 : 공진기 거울 206 : 빔 전송거울
300 : 1064nm 파장의 레이저를 생성하는 공진기
301 : 공진기 거울 302 : 레이저 매질(Nd:YAG)
303 : 냉각 Line 304 : 광학 또는 기구 Shutter
305 : 공진기 거울 306 : 빔 전송거울

Claims (3)

  1. 의료용 레이저 발생장치에 있어서,
    755nm 파장의 레이저를 발생시키기 위한 레이저매질;
    레이저매질로부터 생성된 레이저빔을 반사시키는 공진기거울;
    레이저매질과 공진기거울 사이에 레이저빔을 통과 또는 차단하는 Shutter;
    1064nm 파장의 레이저를 발생시키기 위한 레이저매질;
    레이저매질로부터 생성된 레이저빔을 반사시키는 공진기거울;
    레이저매질과 공진기거울 사이에 레이저빔을 통과 또는 차단하는 Shutter;
    755nm 와 1064nm 파장의 레이저빔을 전송하는 빔 전송거울이 하나의 Unit에 일체화되어 구비된 것을 특징으로 하는 레이저 발생장치
  2. 청구항1에서,
    755nm 파장의 레이저를 발생시키기 위한 레이저매질에는 Heating Line 과
    1064nm 파장의 레이저를 발생시키기 위한 레이저매질에는 Cooling Line 은 별도로 구비된 것을 특징으로 하는 레이저 발생장치
  3. 레이저 발생장치에서
    755nm 파장의 레이저를 발생시키기 위한 레이저매질;
    레이저매질로부터 생성된 레이저빔을 반사시키는 공진기거울;
    레이저매질과 공진기거울 사이에 레이저빔을 통과 또는 차단하는 Shutter;
    1064nm 파장의 레이저를 발생시키기위한 레이저매질;
    레이저매질로부터 생성된 레이저빔을 반사시키는 공진기거울;
    레이저매질과 공진기거울 사이에 레이저빔을 통과 또는 차단하는 Shutter;
    755nm 와 1064nm 파장의 레이저빔을 전송하는 빔 전송거울이 하나의 Unit에 일체화된 레이저 발생장치에 있어서, 755nm 파장의 레이저와 1064nm 파장의 레이저를 대기시간 없이 순차 / 교차로 조사하는 것을 특징으로 하는 레이저 발생장치

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