KR20210021345A - 캐비티내 코팅을 가진 수동 ｑ―스위치 마이크로칩 레이저 및 이러한 마이크로칩 레이저를 구비한 핸드피스 - Google Patents
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Abstract
마이크로칩 레이저 및 마이크로칩 레이저를 포함하는 핸드피스가 개시된다. 마이크로칩 레이저는 입력 및 출력 패싯이 있는 레이저 매체를 포함한다. 입력 패싯은 마이크로칩 레이저 파장에서 고반사 유전체 코팅으로 코팅되고 펌프 파장에서 고 투과성을 가진다. 출력 패싯은 마이크로칩 레이저 파장 부분 반사되는 유전체 코팅으로 코팅된다. 포화 흡수체는 마이크로칩 레이저의 출력 패싯에 분자간 힘에 의해 부착된다. 피부 치료용 핸드피스에는 마이크로칩 레이저가 포함된다.
Description
본 시스템은 핸드피스에 패키징된 수동 Q-스위치 마이크로칩 레이저, 특히 더블 패스 펌핑(double pass pumping) 구성을 갖는 마이크로칩 레이저에 관한 것이다.
피부 질환의 비-침습적 치료를 위한 시스템이 알려져 있다. 일반적으로, 이러한 시스템은 레이저가 배치되는 캐비닛과 레이저로부터의 레이저 방사선을 치료할 피부 부분으로 전달하는 핸드피스에 연결된 관절 암을 포함한다. 이러한 시스템의 기능은 선택한 레이저의 능력에 제한된다. 피부 결점의 치료는 일반적으로 한 종류 이상의 레이저를 필요로 하며 종종 한 종류 이상의 레이저가 캐비닛에 배치된다. 이는 시스템의 크기, 비용 및 복잡성을 증가시킨다.
일부 피부 결점의 치료는, 피부 손상을 방지하기 위해, 극초단(ultrashort) 펨토(femto) 또는 피코초(picosecond) 펄스로 공급되는 상당한 레이저 파워(수십 및 심지어 수백 MW)를 필요로 한다. 이러한 레이저 출력은 섬유(fiber)를 통한 전달이 어렵고 관절 암의 사용은 간병인(caregiver)의 자유를 크게 제한한다.
마이크로칩 레이저는 능동(active) 레이저 매체가 레이저 공진기(resonator)를 형성하는 엔드 미러와 직접 접촉하는 비정렬(alignment-free) 모놀리식 고체 레이저이다. 대부분의 경우 유전체 코팅인 미러는 능동 레이저 매체의 단면(end faces)에 간단히 배치된다. 마이크로칩 레이저는 일반적으로 레이저 다이오드로 펌핑되며, 10W를 방출하는 마이크로칩 레이저에 대한 보고서가 발표 되었지만, 일반적으로 평균 수십 또는 수백 밀리와트의 파워를 방출한다. 마이크로칩 레이저의 크기는 작으며 시스템에서 원하는 거의 모든 위치에 배치될 수 있다.
일반적인 Q-스위치 마이크로칩 레이저는 레이저 매체과, 하나의 요소로서 함께 결합된 수동 Q-스위처로서의 포화 흡수체(saturable absorber)로 구성된다. 마이크로칩 레이저는 유전체 코팅된 캐비티 미러를 구비한 소형의, 선형 캐비티의, 모 놀리식 고체 레이저이다. 일반적인 캐비티 길이는 밀리미터 정도이다. 캐비티 길이가 짧으면 캐비티 수명이 매우 짧아지고, Q-스위치 펄스가 훨씬 짧아질 수 있다. Q-스위치 마이크로칩 레이저는 시판되는 대형 Q-스위치 시스템이 생산하는 것과 유사하게 약 10KW의 피크 파워를 가진 대형 모드 잠금 레이저가 생산하는 것 만큼 짧은 300ps보다 짧은 출력 펄스를 생성할 수 있다는 것이 입증되었다.
수 십 년에 걸쳐, 고 에너지 피코초 레이저의 생산을 위한 노력이 이루어져 왔다. 많은 기술이 개발되었다. 이러한 기술은 일반적으로 저에너지 피코초 시드(seed) 레이저, 예를 들어 nJ 또는 μJ가 증폭 스테이지(재생 증폭기 또는/및 다중 패스 증폭을 포하함)에 공급되는 다단계 구성을 포함한다. 이러한 다단계 구성은 복잡한 광학 배열과 정교한 전자 동기화를 필요로 하며 시스템의 복잡성과 비용을 더 증가킨다[l6, 17, 18, 20, 25, 28].
본 발명은 전술한 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
마이크로칩 레이저 및 더블 패스 펌핑 기하학구조(geometry)를 갖는 수동 Q-스위치 마이크로칩 레이저를 구비한 핸드피스를 구현하는 방법이 개시된다. 레이저 매체(medium)과 포화 흡수체는 펌핑 파장에서 고반사 유전체 코팅으로 샌드위치되며 분자간(intermolecular) 힘에 의해 광학적 접촉(contact)으로 결합된다. 고반사 유전체 코팅은 더블 패스 펌핑의 달성을 지원하고 흡수되지 않은 펌프 레이저에 의한 수동 Q-스위치의 원치 않는 블리칭(bleaching)을 방지한다.
마이크로칩 레이저의 치수는 다양한 응용, 특히 피부 질환 치료에 사용될 수있는 핸드피스 내에 마이크로칩 레이저의 패키징을 지지한다. 핸드피스는 피부에 적용되고 피부 위로 미끄러지도록 조응된다. 핸드피스는 피부 세그먼트를 가로 질러 마이크로칩 레이저에 의해 방출되는 레이저 빔을 스캔하도록 구성된 스캐닝 시스템을 포함할 수 있다. 스캐닝 시스템은 1 차원(1-D) 또는 2 차원(2-D) 처리된 피부 영역 커버리지를 제공할 수 있다. 분할된(fractionated) 마이크로-도트 라인 빔 패턴이 지원된다. 마이크로칩 레이저 핸드피스는 추가 레이저 파장을 생성하기 위해 2차 이상의 고조파 발생기(haarmonic generator)를 포함할 수 있다.
마이크로칩 레이저에 기반한 시스템은 알렉산드라이트(Alexandrite) 레이저를 펌프 소스로 사용한다. 악렉산드라이트 레이저는 더 높은 펄스 에너지 생성을 위해 1kW 이상의 펌핑 파워를 제공한다. 높은 펌핑 파워는 낮은 초기 전송의 포화 흡수체의 사용에 의해 에너지 저장을 더욱 용이하게 한다. 약 100MW 이상의 높은 피크 파워를 가진 피코초 레이저 펄스의 생성이 입증되었다.
본 발명에 따르면 전술한 과제가 해결될 수 있다.
본 발명과 그 특징의 이해를 위해, 첨부된 도면을 참조하여 이하에 설명하며, 여기서 유사한 참조 번호는 유사한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 마이크로칩 레이저의 예시적인 도면;
도 2는 마이크로칩 레이저의 레이저 매체과 포화 흡수체의 결합을 예시적으로 설명하기 위한 도면;
도 3은 2차 고조파 발생기(SHG)를 지원하는 마이크로칩 레이저의 예시적인 도면;
도 4는 합 주파수 발생기(SFG)을 지원하는 마이크로칩 레이저의 예시적인 도면;
도 5는 5차 고조파 생성(FHG)을 지원하는 마이크로칩 레이저의 예시적인 도면;
도 6은 부분 피부 치료를 위한 핸드피스의 예시적인 도면;
도 7은 희소한(sparse) 부분 피부 처리 패턴의 예시적인 도면;
도 8은 조밀한(denser) 부분 피부 처리 패턴의 예시적인 도면;
도 9는 부분 피부 치료를 위한 핸드피스의 또 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 1은 마이크로칩 레이저의 예시적인 도면;
도 2는 마이크로칩 레이저의 레이저 매체과 포화 흡수체의 결합을 예시적으로 설명하기 위한 도면;
도 3은 2차 고조파 발생기(SHG)를 지원하는 마이크로칩 레이저의 예시적인 도면;
도 4는 합 주파수 발생기(SFG)을 지원하는 마이크로칩 레이저의 예시적인 도면;
도 5는 5차 고조파 생성(FHG)을 지원하는 마이크로칩 레이저의 예시적인 도면;
도 6은 부분 피부 치료를 위한 핸드피스의 예시적인 도면;
도 7은 희소한(sparse) 부분 피부 처리 패턴의 예시적인 도면;
도 8은 조밀한(denser) 부분 피부 처리 패턴의 예시적인 도면;
도 9는 부분 피부 치료를 위한 핸드피스의 또 다른 예를 나타내는 도면이다.
본 발명은 핸드피스에 수동 Q-스위치 마이크로칩 레이저를 장착함으로써 전체 시스템의 크기와 복잡성을 감소시키고 파워 이용 효율을 향상시키는 것을 제안한다. 본 발명은 또한 새롭고 더 강력한(robust) 마이크로칩 레이저를 제안한다. Q-스위치 마이크로칩 레이저는 수십 및 수백 MW의 레이저 출력에서 피코초 펄스를 방출한다.
수동 Q-스위치 마이크로칩 레이저는 스위칭 전자부품을 필요로하지 않으므로 전체 시스템의 크기와 복잡성을 줄이고 파워 효율을 향상시킨다. 또한 캐비티 치수의 간섭측정(interfermetric) 제어가 필요하지 않으므로 장치 생산이 단순화되고 사용 중 온도 제어에 대한 허용오차(tolerances)가 크게 완화된다. 그 결과 결합 된 캐비티 Q-스위치 마이크로칩 레이저의 성능에 비교할만한 성능을 가진 잠재적으로 더 저렴하고, 더 작고, 더 견고하고, 더 안정적인 Q-스위치 레이저 시스템이 얻어진다. 이러한 속성 조합을 통해, 수동 Q-스위치 피코초 마이크로칩 레이저는 자동차 엔진 점화에 더하여 고정밀 범위(ranging), 로봇 비전(robotic vision), 자동 생산(automated production), 비선형 주파수 생성, 환경 모니터링, 마이크로머시닝, 화장품 및 미세수술(microsurgery), 이온화 분광기(apectroscopy)를 포함한 광범위한 응용 분야에 적합하다.
마이크로칩 레이저
수동 Q-스위치 마이크로칩 레이저는 수십 년 동안 광범위하게 조사되어 왔다. 그러나 대부분의 연구에서는 몇 밀리줄(millijoul) 미만의 펄스 에너지와 10MW 미만의 피크 파워가 발생되는 것으로 보고되었다[1-15, 19, 21-26, 28, 29]. 특히 일부 마이크로칩 레이저는 나노초 레이저 펄스 지속시간(duration)을 생성할 수 있었다 [3, 4, 7, 13, 23, 24]. 가장 최근, X. Guo 등은 Yb : YAG / Cr : YAG 마이크로칩 레이저로부터 l2mJ의 생성을 증명하였다. 그러나 긴 펄스 지속시간(1.8ns)으로 인해 ~ 3.7MW의 피크 파워만 얻어졌다.
또한 레이저는 극저온 조건(즉, 77도 K)에서 작동되어야만 했고 이는 실제 적용에 문제를 발생시킨다. 본 발명가가 알고 있는 한, 100MW 서브-나노초 펄스 보다 큰 레이저 펄스의 생성은 수동 Q-스위치 마이크로칩 레이저에서 직접적으로 보고된 적이 없다.
단일 패스 펌프 마이크로칩 레이저는 몇 가지 제한을 가진다. 레이저 재료에서 펌핑 에너지의 충분한 흡수를 보장하기 위해, 레이저 매체는 충분히 길어야 하지만 더 긴 레이저 매체는 더 긴 방출 펄스 지속시간으로 이어진다. 또한 일부 특정 펌프 파장에서, 흡수되지 않은 펌프 레이저는 Q-스위칭 동작의 실패를 일으키는 포화 흡수제의 원하지 않은 블리칭을 일으킬 수 있다. 이런 언급된 문제를 극복하기 위해, 본 발명은 더블 패스 펌핑을 갖는 마이크로칩 레이저를 도입한다. 더블 패스 펌핑은 또한 도핑하기 어렵거나 이용가능한 펌프 레이저 파장에서 레이저 매체의 낮은 흡수율을 가지는 수정(crystals)(즉, Nd: YAG)로부터 생성되는 레이저 매체의 사용을 용이하게 한다. 더블 패스 펌핑은 레이저 재료와 수동 Q-스위치 사이에 고반사 유전체 코팅을 적용하고 두 재료를 결합하여 마이크로칩 레이저를 형성함으로써 제조될 수 있다.
더블 패스 펌핑 마이크로칩 레이저는 펌프 레이저 흡수와 짧은 매체 길이를 지원하여 더 짧은 펄스 지속시간과 더 단순한 레이저 레이아웃을 가능하게 한다.
본 발명은 100MW를 초과하는 높은 피크 파워를 가진 서브 나노초 레이저 펄스를 생성하기 위한 마이크로칩 레이저를 설명한다.
마이크로칩 레이저(100)가 도 1에 도시되어 있다. 마이크로칩 레이저(100)는 예를 들어 Nd:YAG 및 Nd와 같은 레이저 매체(104), 레이저 매체(104)와 포화 흡수체(112) 사이에 샌드위치된 레이저 파장을 펌핑하기 위한 고반사 유전체 코팅(108)을 포함한다. 도 1에는 또한 알렉산드라이트 레이저 펌핑 빔(116) 및 마이크로 레이저(100) 출력 빔(120)이 된다. 알렉산드라이트 레이저 출력 빔(120)은 예를 들면 ~ 752nm 파장을 가진 빔일 수도 있다. 고반사 유전체 코팅(108)(펌프 레이저 파 장, 752nm 및 고투과 Q-스위치 레이저 파장, l064nm에서 고반사)은 더블 패스 펌핑을 지원하고 이를 통해 누출된 흡수되지 않은 펌프 레이저에 의한 수동 Q-스위치(112)의 원하지 않는 블리칭이 방지된다.
마이크로칩 레이저(100)의 입력 단부(124)(즉, 레이저 재료의 표면(104))는 마이크로칩 레이저(100) 파장에서 고반사율, 예를 들어 1064nm 유전체 코팅 및 펌프 파장에서 고투과율로 코팅된다. 마이크로칩 레이저(100)의 출력 단부, 즉 수동 Q-스위치(112)의 표면(128)은 마이크로칩 레이저(100) 방출 레이저 파장에서 부분적으로 반사되는 유전체 코팅으로 증착된다. 마이크로칩 레이저의 출력 패싯(facet)의 코팅은 단일 재료가 형성될 때 코팅이 요구대로 기능하도록 레이저 매체 및 포화 흡수체의 굴절률을 고려한다.
이들 2개의 단부(124 및 128)는 평행하게 배열되고 유전체 코팅으로 코팅되어 레이저 진동 발생을 허용한다.
확산 접합(diffusion bonding)은 일반적으로 레이저 재료와 수동 Q-스위칭 요소(즉, 포화 흡수체)를 접합하여 수동 Q-스위치 마이크로칩 레이저를 형성하는 데 사용된다. 이 방법은 일반적으로 접촉 재료의 절대 용융 온도의 약 50-70 % 인 높은 압력과 온도에서 수행된다. 이러한 제조 공정은 고온을 포함하고 두 요소(즉, 레이저 매체 및 수동 Q-스위처) 사이에 어떤 형태의 유전체 코팅이라도 증착하기 어렵게 하며, 특히 펌프 레이저 파장에서 고반사 코팅의 증착을 어렵게 한다. 따라서 단일 패스 펌핑 만 적용될 수 있다.
본 본 발명에서, 레이저 매체(104)와 포화 흡수체(112) 사이의 본딩은 도 2에 도시된 바와 같이 반데르발스(Van der Waals) 힘, 수소 결합 및 쌍극-쌍극(dipole - dipole) 상호작용과 같은 분자간 힘(intermolecular force)에 의한 광학적 접촉을 통해 화살표(204)로 도시된 바와 같이 구현된다. 반사 유전체 코팅(108)의 무결성이 보호되도록 상승된 온도 및 압력이 필요하지 않다.
접촉되는 2 개의 표면, 즉 레이저 매체(104)의 208 및 포화 흡수체(112)의 212는 안정된 광학 접촉을 달성하기 위해 광학적으로 우수하게(in optical quality) 처리된다. 펌프 파장에서 레이저 매체(104)과 포화 흡수체(112) 사이의 계면에서 고반사 유전체 코팅은 더블 패스 펌핑의 달성을 지원하고 흡수되지 않은 펌프 레이저에 의한 수동 Q-스위치의 원하지 않는 블리칭을 방지한다. 일반적으로 표면 품질은 20-10 스크래치-디그(scratch-dig)보다 나을 수 있다. 평탄도와 거칠기는 각각 적어도 λ/4 10A rms 이상이 될 수 있다.
마이크로칩 레이저 매체(100) 및 포화 흡수체(112)는 Nd 도핑된 결정(즉, YAG 또는 YLF 또는 세라믹)일 수있다. 레이저 매체 및 포화 흡수체를 위한 재료는 동일한 호스트 재료 또는 상이한 재료일 수있다. 이는 두 성분의 재료 물성(예 : 융점, 열팽창 계수 등)이 유사해야 하는 확산 방식으로 접합된 기존 마이크로 칩 레이저와는 상당히 상이하다.
더블 패스 펌핑을 갖는 수동 Q-스위치 마이크로칩 레이저는 사용되는 더 짧은 레이저 재료로 인해 매우 더 짧은 펄스를 생성함으로써 단일 패스 펌핑을 가진 마이크로칩 레이저를 넘어서는 이점을 제공한다. 이는 Q-스위치 펄스 지속시간이 캐비티 길이에 거의 비례하기 때문이다. 또한, 도핑 농도가 낮거나 펌핑 레이저 파장에서 흡수가 낮은 크리스탈의 경우, 더블 패스 펌핑은 짧은 결정 길이를 유지하면서 충분한 펌프 레이저 흡수를 얻을 수 있게 하여 보다 컴팩트한 레이저 설계를 가능하게 한다.
시스템은 알렉산드라이트 레이저를 펌프 소스로 사용한다. 더 높은 펄스 에너지 생성을 위해 알렉산드라이트 레이저는 1kW 이상의 펌핑 파워를 제공할 수 있다. 높은 펌핑 파워는 낮은 초기 전송(transmission)의 포화 흡수체를 사용하여 에너지 저장을 더욱 용이하게 한다. 약 100MW 이상의 높은 피크 파워를 가진 피코초 레이저 펄스의 생성이 입증되었다.
높은 에너지 / 높은 피크 파워 초단파(ultrashort pulse) 마이크로칩 레이저는 고조파 생성(2차 고조파, 3차 고조파, 4차 고조파, 합 주파수 생성, OPO 등)과, 높은 피크 파워가 요구되는 초 연속체(super continuum) 생성을 포함한 효율적인 비선형 주파수 통신(conversation)을 용이하게 한다. 기존의 저에너지 마이크로칩 레이저와 상이하게 고 에너지 마이크로칩 레이저는 주파수 변환 파장에서 높은 에너지/파워를 제공할 수 있으므로 신호 대 잡음비를 개선하여 측정 정밀도를 크게 높일 수 있다. 가장 중요하게, 광학 배열이 매우 간단하고 단순하며 제한된 공간(예: 핸드피스)에 마이크로칩 레이저를 장착할 수 있도록 지원한다.
도 3은 2차 고조파 생성을 지원하는 마이크로칩 레이저의 예이다. 안정적인 선형 편광 Q-스위치 레이저 생성을 위해 <110> 절단 Cr4+ : YAG가 사용된다. 리튬 니오베이트(LiNb03), 포타슘 티타닐 포스페이트(KTP = KTi0R04), 리튬 트리보레이트(LBO = LiB305) 또는 기타 SHG와 같은 제2 고조파 생성 결정(SHG)(304)는 1064 nm의 파장의 마이크로칩 레이저(100) 출력 빔(120)을 수신하고, 이를 두개의 빔 - 본래 1064nm 파장(주파수)를 가진 하나의 빔(320)과, 본래의 빔(120) 보다 2배 높은 532nm 파장을 가진 다른 하나의 빔(312)- 으로 변환한다. 빔 스플리터(308)는 빔(320 및 312)의 사용을 용이하게 하기 위해 상이한 방향으로 분할 및 지향한다.
도 4는 SFG(sum frequency generation)를 지원하는 마이크로칩 레이저의 예이다. 합 주파수 생성(SFG) 또는 차이 주파수 생성(DFG)이 발생할 수 있으며, 여기서 두 개의 레이저 펌프 빔이 532 nm 및 1064 nm의 파장을 갖는 펌프 빔(312 및 320)의 광학 주파수의 합 또는 차이를 갖는 또 다른 빔을 생성한다. 예를 들어, SFG 크리스탈(404)을 사용하여 1064nm 레이저 빔의 출력을 532nm의 주파수-더블 레이저 빔과 혼합하면 355nm UV 광을 가진 출력 광선(408)이 생성된다.
도 5는 4차 고조파 발생(FHG)을 지원하는 마이크로칩 레이저의 예이다. 4차 고조파 생성은 예를 들어 266nm 또는 더 짧은 파장에서 UV 방사선을 생성하도록 설계된 프로세스이다. 예를 들어, 파장이 1064nm 인 레이저 빔을 생성하는 Nd:YAG 레이저의 제4 고조파는 파장이 266nm 인 광선이다. 참조번호 502는 FHG 결정을 표시하고 참조번호 506은 파장 266nm의 출력 빔을 표시한다.
그러한 주파수 통신 프로세스는 상이한 분광학 적용을 위해 충분한 에너지를 갖는 광범위한 스펙트럼을 제공할 수 있다. 기존의 저에너지 마이크로칩 레이저와 반대로 고에너지 마이크로칩 레이저는 주파수 변환 파장에서 더 높은 에너지/파워를 제공할 수 있으므로 신호 대 잡음비를 개선하여 측정 정밀도를 크게 높일 수 있다. 광학 배열은 매우 단순하고 간단하다.
피코초 펄스를 생성하는 개시된 높은 피크 파워 마이크로칩 레이저는 분광학 분야에 추가적으로 많은 분야에서 사용될 수있다. 여기에는 피부 치료, 미세 가공, 고조파 생성(2차 고조파, 3차 고조파, 4차 고조파, 합 주파수 생성, OPO 등)을 포함한 효율적인 비선형 주파수 통신 및 높은 피크 파워가 필요한 초 연속체 생성이 포함된다. 이러한 주파수 통신 프로세스는 분광학 응용을위한 에너지와 함께 광범위한 스펙트럼을 제공할 수 있다.
핸드피스
피코초 레이저 펄스를 생성하는 개시된 고 피크 파워 마이크로칩 레이저에 대한 잠재적이고 유망한 애플리케이션 중 하나는 미용 및 의료용 레이저 시스템일 수 있다. 고 에너지 단(short) 펄스 마이크로칩 레이저는 마이크로칩 레이저를 핸드피스로 패키징하여 의미있는 미용 치료와 특히 부분 피부 재생을 수행할 수 있도록 지원한다. 레이저 빔당 4mJ의 수백 피코초의 레이저 펄스의 경우, 레이저 유도 광학 파괴(LIOB: lager induced optical breakdown) 또는 멜라닌 보조 광학 파괴(break down)를 통해 조직 또는 피부 미세 손상을 유발하기에 충분하다는 것이 임상적으로 입증되었다. 이러한 미세 손상(micro-injury)에 의해 자극된 이후의 콜라겐 리모델링은 피부 젊어짐(rejuvenation)을 가져온다. 현재 마이크로칩 레이저는 파장 l064nm 인 40mJ 300ps 초과의 레이저 펄스를 생성할 수 있다. 따라서 마이크로칩 레이저의 출력 에너지는 다른 수의 마이크로 빔이 가능하더라도 예를 들어 10 개의 마이크로 빔으로 분할될 수 있다. 각 마이크로 빔은 효과적인 피부 치료에 충분한 4mJ 이상 에너지를 가진다. 각각의 마이크로 빔은 10 개의 마이크로-도트를 생성하기 위해 광학 장치를 포커싱하여 초점을 맞출 수 있다.
피부 치료는 일반적으로 2차원 피부 영역의 조사를 필요로한다. 예를 들어, 마이크로칩 레이저 빔을 1 차원 마이크로 빔 어레이로 분할하고 1 차원 마이크로 빔 어레이를 피부 위로 수동으로 슬라이딩하는 것과 같이 2 차원 마이크로 빔 패턴을 구현하기 위한 많은 접근 방식이 있다. 또 다른 접근법은 스캐닝 시스템을 사용하여 하나 또는 두 방향/축으로 마이크로 빔 어레이를 스캔하는 것이다. 스캐닝 미러 또는 기타 스캐닝 수단과 함께 마이크로 빔 또는 분할(fractional) 빔의 사용은 부분 피부 치료를 지원한다.
도 6은 부분 피부 치료용 핸드피스의 예이다. 예를 들어, 여기 알렉산드라이트 레이저는 캐비닛에 위치될 수 있고, 동일한 양수인 및 발명자에 양수되고 본 명세서에서 그 전문이 참조로서 포함되는 미국 특허 제9,722,392호에 개시된 바와 같이, 화살표 606으로 개략적으로 도시된 알렉산드라이트 펌프 레이저 빔은 피부에 적용되도록 구성된 핸드 피스 본체(604)에 위치한 시드 마이크로 칩 레이저(610)에 대한 광섬유 연결에 의해 수행될 수 있다. 핸드피스 본체(604)는 전술한 마이크로칩 레이저와 동일한 고 에너지 시드 마이크로칩 레이저(610) 및 스캐닝 미러(614) 유닛 또는 폴리곤 스피너 또는 레이저 빔(120)이 하나 또는 두 방향 또는 축(X,Y)으로 스캐닝을 지원하는 다른 레이저 빔 스캐닝 수단을 포함할 수 있다. 이는 부분 피부 치료의 시행을 용이하게 할 것이다. 시드(seed) 마이크로칩 레이저(610) 및 스캐닝 미러(614)의 전체 시스템은 핸드피스(604)에 패킹될 만큼 충분히 작을 수있다. 이러한 핸드피스는 피부 젊어짐을 위한 부분 치료를 허용하는 피코초 레이저를 생성할 수 있다.
선택적으로 2차 이상의 고조파 발생기(304)가 핸드피스 본체(604)에 위치될 수 있다. 마이크로칩 레이저(610)는 1064nm의 파장을 갖는 빔을 방출한다. 1064 nm 파장에 추가가 필요할 때, 2차 고조파 발생기(304)는 추가 레이저 광 파장을 생성하기 위해 마이크로칩 레이저 빔 경로에 도입될 수 있다. 일반적으로 다른 파장 주파수 곱셈 장치는 터릿(turret)에 배치되어 필요할 때 사용될 수 있다.
피부 치료를 위해, 도 7에 도시된 바와 같이, 간병인(caregiver) 또는 사용자는 1차원(l-D) 빔 스플리터, 예를 들어 홀로그래픽 l-D 빔 스플리터 또는 스캐너를 사용하여 처리 피부 영역 위로 핸드피스(604)를 수동으로 슬라이드시켜 분할 스캐닝 시스템을 형성할 수있다. 슬라이딩 이동 중에, 시드 마이크로칩 레이저(610)는 l-D 분할 마이크로-도트(704) 라인을 형성하는 피코초 레이저 펄스를 생성한다.
화살표(708)로 나타낸 바와 같이 1D 분할 마이크로-도트 라인에 수직 방향으로 핸드피스의 수동 이동은 2-D 분할 빔 패턴(712)을 생성한다. 분할 처리된 피부 영역 커버리지는 l-D 라인에서 분할 마이크로-도트(704)의 수와 핸드피스(604)의 이동 속도를 변경함으로써 변경될 수 있다. 도 7은 l-D 라인에서 상대적으로 듬성하게 위치된 분할 마이크로-도트(704)의 예이다. 핸드피스(604) 이동 속도(708)는 동일한 핸드피스 이동 속도(808)(도 8)보다 높다. 따라서, 분할된 마이크로-도트(704)의 더 조밀한 2-D 패턴(812)이 생성된다.
도 9에 예시된 추가 예에서, 부분 피부 치료를 위한 핸드피스가 도시된다. 분할 빔 패턴의 생성은 레이저 빔(120)을 렌즈 어레이(912) 상으로 투사 또는 스캔하는 한 쌍의 갈바노미터(galvanometer) 미러(904 및 908)의 조합에 의해 생성된다. 렌즈 어레이(912)는 레이저 빔(120)을 복수의 마이크로 빔(916)으로 분할할 수있고 마이크로빔은 분할된 마이크로 빔일 수 있다. 미러(920)는 고조파 발생기에 위치될 수 있는, 2차 이상의 고조파 발생기에 의해 생성된 추가 파장을 분리하는데 사용될 수 있다. 미러(920)의 코팅은 원하는 파장 분리에 따라 형성된다. 변환되지 않은 적외선(120)은 레이저 광 빔 덤프(dump)(924)로 지향되고 흡수될 수 있는 반면 고조파는 피부 질환의 조합을 포함하는 치료 피부 부분으로 전달될 수 있다. 레이저 광 빔 덤프(924)는 손상되는 일 없이 다른 핸드피스(900) 구성 요소의 온도 상승을 유발하지 않고 변환되지 않은 적외선 에너지를 효과적으로 소멸시키도록 설계될 수 있다. 레이저 광 빔 덤프(924)로부터 열을 제거하기 위해 필요에 따라 수동 및 능동 냉각 메커니즘이 사용될 수 있다.
아래의 예는 피부 질환 치료에 사용되는 전형적인 핸드피스의 일부 작동 매개변수를 제공한다. 시드 레이저(610) 에너지는 40mJ 이상이 될 수 있다. 이 시스템은 각 마이크로 빔의 에너지가 l064nm에서 최대 4mJ, 532nm에서 2mJ가 되도록 설계 되었다.
이러한 시드 레이저 에너지는 시드 레이저로부터의 각 레이저 빔이 적어도 9 개의 렌즈렛(lenslets)을 커버하여 9 개의 마이크로-도트를 생성할 수 있을 정도로 충분히 높다. 갈바노미터 미러 쌍(904, 908)은 레이저 빔을 9회 스캔하여 2-D 패턴을 형성하고 적어도 81개의 렌즈렛을 커버한다. 마이크로칩 레이저가 20Hz의 주파수에서 작동한다고 가정하면 각 스캔은 0.45초(9/20) 걸리거나 치료는 최대 2.2Hz까지 작동할 수 있다.
당업자라면 본 발명에 개시된 내용이 전술한 설명에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 오히려, 마이크로칩 레이저 및 핸드피스의 범위는 전술한 다양한 특징의 조합 및 하위 조합뿐만 아니라 전술한 설명을 읽었을 때 당업자에 의해 일어날 수 있는 다양한 변형 및 수정을 포함한다.
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Claims (25)
- 마이크로칩 레이저에 있어서,
입력 및 출력 패싯(facets)을 가진 레이저 매체;
입력 패싯 - 입력 패싯은 마이크로칩 레이저 파장에서 고반사 유전체 코팅으로 코팅되고 펌프 파장에서 고 투과성을 가짐 - ;
출력 패싯 - 출력 패싯은 펌프 파장에서 고반사 유전체 코팅으로 코팅되고 Q-스위치 레이저 파장에서 고 투과성을 가짐 - ; 및
마이크로칩 레이저의 출력 패싯과 마이크로칩 레이저 파장에서 부분적으로 반사되는 유전체 코팅으로 코팅된 출력 패싯에 분자간 힘에 의해 부착된 포화 흡수체를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로칩 레이저.
- 제1항에 있어서,
출력 패싯의 코팅은 모놀리식 재료가 형성될 때 코팅이 요구대로 기능하도록 레이저 매체 및 포화 흡수체의 굴절률을 고려하는
마이크로칩 레이저.
- 제1항에 있어서,
레이저 매체 재료 및 포화 흡수체는 동일한 호스트 재료로 제조되는
마이크로칩 레이저.
- 제1항에 있어서,
레이저 매체 재료 및 포화 흡수체는 상이한 호스트 재료로 제조되는
마이크로칩 레이저.
- 제1항에 있어서,
레이저 매체와 포화 흡수체 사이의 접합은 분자간 힘에 의한 광학 접촉을 통해 이루어지는
마이크로칩 레이저.
- 제1항에 있어서,
마이크로칩 레이저는 더블 패스 펌핑된 마이크로칩 레이저인
마이크로칩 레이저.
- 제1항에 있어서,
더블 패스 펌핑된 마이크로칩 레이저는 펌프 레이저 흡수 및 짧은 매체 길이를 지원하여 단 펄스 지속시간 및 컴팩트한 레이저 레이아웃을 제공하는
마이크로칩 레이저.
- 제1항에 있어서,
펌프 파장에서 레이저 매체과 포화 흡수체 사이의 계면에서 고반사 유전체 코팅은 더블 패스 펌핑을 지원하고 흡수되지 않은 펌프 레이저에 의한 수동 Q-스위치의 원하지 않는 블리칭을 방지하는
마이크로칩 레이저.
- 마이크로칩 레이저 핸드피스에 있어서,
핸드피스 본체를 포함하고, 핸드피스 본체는,
핸드피스 본체에 위치하며 피부에 적용되도록 구성된 마이크로칩 레이저;
펌프 레이저에 대한 광섬유 연결; 및
마이크로칩 레이저에 의해 방출 된 고체 빔을 분해(breakdown)하고 피부 세그먼트를 가로 질러 마이크로 빔 어레이를 형성하도록 구성된 분할 스캐닝 시스템;을 포함하고,
마이크로칩 레이저는 고출력 피코초 단 펄스 에너지를 생성하는 것을 특징으로하는
마이크로칩 레이저 핸드피스.
- 제9항에 있어서,
상기 핸드피스 본체는 피부에 적용되고 피부 위에서 슬라이딩하도록 구성되는
마이크로칩 레이저 핸드피스.
- 제9항에 있어서,
스캐닝 시스템은 한 쌍의 미러로 구성된 스캐닝 시스템 그룹 중 하나인
마이크로칩 레이저 핸드피스.
- 제9항에 있어서, 스캔된 빔이 렌즈 어레이에 입사하여 마이크로 빔 어레이를 형성하는
마이크로칩 레이저 핸드피스.
- 제10항에 있어서,
렌즈 어레이상의 레이저 스폿 크기는 각각의 렌즈렛이 1064nm에서 4mJ, 532nm에서 2mJ까지 볼 수 있도록 결정되는
마이크로칩 레이저 핸드피스.
- 제9항에 있어서,
상기 핸드피스는 l-D 분할 마이크로-도트 라인을 생성하도록 구성된 홀로그래픽 l-D 빔 스플리터를 더 포함하는
마이크로칩 레이저 핸드피스.
- 제14항에 있어서,
1-D 분할 마이크로-도트 라인에 수직인 방향을 따른 핸드피스를 수동 이동은 2-D 분할 빔 패턴을 생성하는
마이크로칩 레이저 핸드피스.
- 제9항에 있어서,
상기 핸드피스 본체는 추가 레이저 광 파장을 생성하기 위해 선택적인 2차 고조파 발생기를 포함하는
마이크로칩 레이저 핸드피스.
- 제9항에 있어서,
상기 핸드피스 본체의 슬라이딩 속도는 레이저 빔 커버리지에 의해 치료된 피부를 설정하는
마이크로칩 레이저 핸드피스.
- 레이저 시스템에 있어서,
펌핑 레이저 빔을 제공하도록 구성된 펌프 레이저; 및 핸드피스를 포함하고,
핸드 피스는,
펌핑 레이저 빔을 수신하도록구성된 마이크로칩 레이저 - 마이크로칩 레이저는 게인(gain) 매체 및 포화 흡수체에 의해 형성되는 캐비티를 포함함 - ;
마이크로칩 레이저에 의해 방출된 레이저 빔에 의해 활성화되는 수동 Q-스위치 요소;를 포함하고,
레이저 시스템은 초단 고 파워 레이저 펄스를 생성하는 것을 특징으로 하는
레이저 시스템.
- 제18항에 있어서,
상기 마이크로칩 레이저는 더블 패스 펌핑 된 마이크로칩 레이저 인 레이저 시스템.
- 제19항에 있어서,
더블 패스 펌핑된 마이크로칩 레이저는 충분한 펌프 레이저 흡수 및 초단 매체 길이를 지원하여 짧은 펄스 및 컴팩트한 레이저 레이아웃을 제공하는
레이저 시스템.
- 제18항에 있어서,
마이크로칩 레이저의 고반사 유전체 코팅 필름은 더블 패스 펌핑을 지원하고 흡수되지 않은 펌프 레이저에 의한 수동 Q-스위치의 원하지 않는 블리칭을 방지하는
레이저 시스템.
- 제18항에 있어서,
레이저 매체과 포화 흡수체 사이의 접합은 분자간 힘에 의한 광학적 접촉을 통해 이루어지는
레이저 시스템.
- 제18항에 있어서,
게인 매체 및 포화 흡수체는 동일한 호스트 재료로 제조되는
레이저 시스템.
- 제18항에 있어서,
게인 매체 및 포화 흡수체는 상이한 호스트 재료로 제조되는
레이저 시스템.
- 제18항에 있어서,
펌프 레이저는 알렉산드라이트 레이저인
레이저 시스템.
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