SE500712C2 - Anordning för emission av ljus eller laserljus - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 35 2 är av den typ som är ihålig, böjlig men relativt styv. De är också behäftade med den olägenheten att de är kortlivade beroende på skörhet och hygroskopiska egenskaper samt mycket dyra förutom åstadkommande av betydande effektför- luster. Det är särskilt ljusledare bestående av optiska fibrer som har dessa nackdelar.

Erbiumlaserutrustningar karaktäriseras idag av att vara mycket kostsamma för sjukvårdsinrättningar m m. Detta begränsar idag kraftigt tillgängligheten av erbiumlaserbe- handling för olika kategorier av behandling t ex smärtfri tandborrning, varvid erbiumlaser visat överlägsna egenska- per.

Det har därför länge varit ett önskemål att göra erbium- laserljus och icke laserljus från erbiumkristaller' mer tillgängligt för berörda patienter och behandlande läkare.

Lösningen: Man har således önskat få fram en laseranordning utan de ovan nämnda nackdelarna och enligt uppfinningen har man därför åstadkommit en anordning för emission av ljus eller laserljus som kännetecknas av att den innefattar ett för handen anpassat långsträckt hölje inrymmande en laserlju- salstrande kristallenhet mellan en främre och en bakre spegel samt tillförselanordningar för energi till laser- kristallen och utmatningsanordningar för emitterat ljus eller laserljus.

Det är enligt uppfinningen lämpligt att laserkristallen- heten utgöres av en erbiumkristallenhet.

Enligt uppfinningen innefattar tillförselanordningarna för energi en anordning för tillförsel av elektrisk energi med hög potential, elektrisk energi med låg potential eller ljus. 10 15 20 25 30 35 3 Det är vidare enligt uppfinningen lämpligt att laserkris- tallenheten matas med ljusenergi lateralt från en lampa eller att den matas vid ena änden från en diod.

Utmatningsanordningen för emitterat ljus kan enligt uppfinningen innefatta ett ljusriktstycke med speglar och linser eller optiska fibrer eller en ihålig ljusledare.

Erbiumkristallen kan exempelvis bestå av Er:YAG (Erbium : Yttrium, Aluminium, Garnett), ErCr:YAG (Erbium, Krom : Yttrium, Aluminium, Garnett), Er:YSGG (Erbium : Yttrium, Solmium, Garnett, Glas) eller ErCr:YSGG (Erbium, Krom Yttrium, Solmium, Garnett, Glas).

I och med denna nya placeringen av en ljusemitterande erbiumkristall minskas transportbehovet av dess emitterande ljus i en sådan utsträckning att de ovan beskrivna pro- blemen med ljusledare inte bara är lösta utan de facto är eliminerade.

I och med föreliggande uppfinning kan både erbiumlaser och icke laserljus från erbiumkristall göras mer tillgänglig för berörda patienter och behandlande läkare.

Detta är inte bara ur rent praktiskt användarperspektiv fördelaktigt, utan även i högsta grad ekonomiskt. Kost- nadsvinsterna och därmed den dubbelt ökade tillgängligheten ligger dels i besparingen av den relativt dyra erbium- ljusledaren, dels i att energiförlusterna upp till över 50% i densamma bortfaller. Att dessa energiförluster bortfaller innebär att mindre och därmed billigare komponenter av sådana element som spänningsaggregat, ljuskälla, erbium- kristall, kylenhet, transportsystem mm kan användas. 10 15 20 25 30 35 590 712 Figurbeskrivning: Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas närmare under hänvisning till bifogade figurer där Fig. 1 visar en anordning enligt uppfinningen i praktisk användning, Fig. 2 i snitt visar en utföringsform av uppfinningen, Fig. 3 visar i snitt en annan utföringsform av upp- finningen, Fig. 4 visar en tredje utföringsform av uppfinningen, Fig. 5 visar en fjärde utföringsform av uppfinningen, och där Fig. 6 i snitt visar en femte utföringsform av upp- finningen.

Föredragna utföringsformer: Fig. 1 visar en tandläkare som använder anordningen enligt föreliggande uppfinning för behandling av tänderna hos en patient. Erbiumljuset som skall stråla ut mot patientens tänder produceras i handdelen 26, d v s närmast möjligt målet för ljuset. Någon ljusledare för ljuset emitterad från erbiumkristallen ut till den del som operatören bär upp i sin hand behövs därmed inte. Elektrisk energiförsörj- ning och i förekommande fall fotonisk energiförsörjning, energireglerutrustning tank med kylmedium, en eller två pumpar och filter för ett eller två kylmedia e t c finns placerat i ett eller flera separata chassin 27.

Energi och ljuskällor är känd teknik och marknadsförs i ett stort antal varianter och av ett flertal företag. Samma förhållande gäller för reflektorer, erbiumkristaller, pumpar, filter, e t c. Varianter i dylik känd teknik saknar egentlig betydelse för uppfinningen och behandlas därför inte närmare här. 10 15 20 25 30 35 590 712 5 Förbindelsen mellan handdelen 26 och chassit 27 sker via en flerledarkabel 28. Denna kabel 28 innehåller ledare i båda riktningar för kylmedium och ledare i båda riktningar för elektricitet. I förekommande fall innehåller den också en ledare för ljus av lägre våglängd än det ljus som emitteras från erbiumkristallen och som är relativt erbiumkristallju- set okomplicerat att transmittera via en ljusledare.

Fig. 2 och 3 visar samma typ av anordning. De har samma laterala, optiska pumpningsprincíp, vilket betyder att de matas med ljus från sidan, och skiljer sig endast i laserutgångsdelen till vänster. På figurerna anges erbium- kristallen med beteckningen 1 och den optiska resonatorn utgöres av rummet mellan speglarna 3 och 4. Handdelen är i sitt yttre en rund och/eller elliptisk cylinder i sitt tvärsnitt med ett ljusutgångsstycke 9, 20, 18 eller 20 plus 18 för ljusstråle i sin ena ända.

Den vinkling av ljusutgångsstycket som visas på skisserna är för att lättare komma nära målet för ljuset. Ljusut- gångsstycket kan bestå av en gång för ljusstrålen såsom visas på Fig. 2 med avvinklingsspeglax' 8 och 11 samt konvergerande linser 10 och 12.

Vinkling av ljusutgångsstycket är inte nödvändig utan rak strålgång ut från erbiumkristallen är både möjlig och enklare ur konstruktionshänseende.

Ljusutgångsstycket kan vidare bestå av ett linskopplings- system som för ljuset in i. en ihålig ljusledare eller företrädesvis en optisk fiber såsom framgår av Fig. 3. Den ihåliga ljusledaren 18 kan vara styv eller flexibel.

En optisk fiber 18 av få-gångsanvändningstyp är möjlig p g a dess mycket ringa längd. Denna längd är mindre än 300 cm och företrädesvis mindre än 50 mm. Detta gör att den 10 15 20 25 30 35 LN CD CD 6 blir billig och. därför lätt att bytas ut utan större kostnader.

Den optiska fibern 18 kan vidare ha en styv styrhylsa 20 eller vara utan styrhylsa och då vara relativt flexibel så att man med den kan komma åt i trånga och/eller vinklade utrymmen, t ex en tandrotskanal. Ljusledaren 9 eller 18 kan i utgångsänden ha en monterad konvergerande lins 19.

Ljusledaren 9 eller 18 har i utgångsänden en öppning. Ifrån öppningen strålar ljuset antingen divergerande eller parallellt från ljusledarens slut. Företrädesvis är dock den utgående strålningen av konvergerande karaktär med ett fokus 0,0 mm till +30,0 mm från ljusledarens 9 eller 18 ända.

Vid utgångsänden för ljusledarna 9 eller 18 kan också ett vattenmunstycke vara monterat som kan stråla en tunn film med kylvatten mot målet för ljuset, utgående ljusets fokus. Detta visas dock ej på skisserna. företrädesvis i I fall blixtlampepumpning från sidan utnyttjas såsom visas i Fig. 2 och 3 har handdelen en inre reflektor 13 som riktas inåt mot laserkristallen 1 och lampan 2. Reflektorn 13 kan vara av ellipstyp. Den kan också vara av närkopp- lingstyp, d V s av så liten volym som möjligt, också så nära mellan erbiumkristall och lampa som möjligt.

I handdelen ryms förutom laserkristallen med resonater en optisk pumpkälla bestående av en eller flera blixtlampor 2 eller bestående av en eller flera dioder 25 som visas på Fig. 4 eller ena änden av en ljusledare 23 som visas på Fig. 6 vilken löper från en ljuskälla utanför handdelen.

Vidare ryms i handdelen ett kylsystem, exempelvis aktiv eller passiv luft- eller 'vattenkylning, utgångsdel för ljusstråle med konvergerande eller parallelliserande 10 15 20 25 30 35 580 712 7 linssystem 7. Dessutom finns en utgångsdel för Vattenkyl- ning för målet av ljusstrålen vilket ej visas på figurerna.

Samma vatten kan användas för att kyla handdelen och målet för ljusstrålen.

Pumpljuset kommer till erbiumkristallen på företrädesvis ett av tre sätt vilket berörts i det tidigare: 1) Via en eller flera blixtlampor 2 placerade längs erbiumkristallen 1, samt en reflektor 13 runt dessa delar. 2) Från en eller flera dioder 25 placerade utanför erbiumkristallens optiska resonator och företrädesvis bakom denna. Dioderna kan vara av lasrande typ eller icke lasrande typ. 3) Från en ljuskälla, företrädesvis en diod eller en blixtlampa eller en annan laser emitterande ljus av lägre våglängd än den lasrande erbiumkristallen. Denna ljuskälla är placerad på visst avstånd från handdelen, företrädesvis i samma chassi 27 som spänningsaggrega- tet. Därifrån leds pumpljuset via en ljusledare 23, företrädesvis en optisk fiber eller ett fiberknippe eller en ihålig ljusledare 'till företrädesvis till bakre ändan av erbiumkristallens 1 optiska resonator.

Till 1) och 2) kommer alltså energin till handdelen i form av elektricitet via en elektrisk kabel från ett spännings- aggregat placerad i chassit 27 på visst avstånd till handdelen. Strömmen går tillbaka via samma kabel.

Till 3) kommer alltså energin i form av ljus via en ljusledare 23, företrädesvis en optisk fiber eller ett fiberknippe eller en ihålig ljusledare från en ljuskälla företrädesvis en lasrande eller icke lasrande diod eller en blixtlampa eller en annan laser placerad på visst avstånd 10 15 20 25 30 35 Uï CD 8 från handdelen och företrädesvis i samma chassi 27 som spänningsaggregatet. Längs energiledaren för elektricitet eller ljus ut till handdelen löper en eller i förekommande fall flera ledare för kylvatten och i förekommande fall luft.

Den optiska resonatorn består av en främre spegel 4 och en bakre spegel 3 eller 21 (Fig. 4 och 6). I förekommande fall kan den också bestå av runt erbiumkristallen reflekterande mantel.

Generellt om funktionen kan utpekas tre delvis skilda principer: Princip 1; Den klassiska lasern: Laserkristallensdimensionering,ljuspumpningen,resonatorn med den främre spegelns partiella genomsläpplighet avpassas så erhålles. Med populationsinversion menas att mer än 50% av att populationsinversion och stimulerad emission de laserljusemitterande molekylerna i kristallen är i exciterat tillstånd. Lasringsenergitröskeln övervinns med energimängden per tidsenhet levererad från spännings- aggregatet. Härvid fås ett relativt parallellt utgående strålknippe vanligen 0,01-0,0001 steradianer, beroende på spegeldiameter och den optiska resonatorns längd.

Princip 2; Vågledarlasern: Denna princip är som princip 1) ovan med populationsin- version och stimulerad emission men med vissa tillägg.

I dessa fall är även erbiumkristallens längsgående be- gränsning eller dess närhet reflekterande. 10 15 20 25 30 35 500 712 9 Således utnyttjas förutom främre och bakre spegel en reflekterande mantel eller skillnaden i optiskt brytnings- index mellan erbiumkristallen och omgivande medium före- trädesvis luft eller vatten som internt erbiumkristallen reflekterande medium.

I de fall skillnaden i brytningsindex utnyttjas blir den interna reflektorn inte 100%-ig och en partiell vågledarla- ser erhålles. Denna ger en mindre strålutgångskon ur den främre spegeln än den som erhålles vid utnyttjande vid inåt speglande mantel. Den är vanligen mindre än eller lika med hälften av en sådan kon.

Den inåt speglande manteln är dock ej heller 100%-ig utan dess utgångskon kan närma sig 180°. I dessa fall fås en större spridning på det utgående strålknippet vanligen i storleksordningen större än 60°, alltså större än 1 steradian.

Detta kan dock till väsentlig del användas via linsfokuse- ring och/eller annan kondensering av ljuset innan det nått målet för ljuset. P g a att mindre ljusenergi matas lateralt från erbiumkristallen ökas verkningsgraden och kylbehovet minskas.

Princip 3; Icke linjär ljusledare: Även spontan emission kan utnyttjas om man inte erhåller populationsinversion.

I ett sådan fall fungerar laserkristallen som en icke linjär vågledare med antingen en reflekterande mantel eller skillnaden i optisk brytningsindex mellan erbiumkristallen och omgivande medium företrädesvis luft eller vatten som internt erbiumkristallen speglande medium- 10 15 20 25 30 35 UW CJ ca w w 10 I de fall skillnaden i brytningsindex utnyttjas blir den inre interna reflektorn inte 100%-ig och en partiell vågledarlaser erhålles.

Denna ger en mindre strålutgångskon än den som erhålles vid utnyttjande av en inåt speglande mantel som vanligen är mindre än eller lika med hälften av en sådan kon.

I dessa fall fås en större spridning' på. det utgående strålknippet, vanligen i storleksordningen större än 60°, alltså större än 1 steradian.

Dock är inte heller en inåt speglande mantel helt 100%-ig utan dess utgångskon kan närma sig 180°.

Ljuset i en dylik relativt vid kon kan dock till väsentlig del användas via linsfokusering och/eller annan kondense- ring av ljuset på väg till målet för ljuset. P g a att mindre ljusenergi matas lateralt från erbiumkristallen ökas verkningsgraden och kylbehovet minskas.

Det utgående ljuset är kontinuerligt och i förekommande fall pulsat.

Det utgående ljusets pulslängd regleras antingen med en elektronisk eller mekanisk slutare enligt känd teknik eller med effekten och pulslängden från ljuskällan, vilket i sin tur regleras av spänningsaggregatet med reglerelektronik enligt känd teknik.

Pulslängden kan alltefter användningsområdet variera från en nanosekund till en sekund varefter strålningen betraktas som kontinuerlig. T ex för en tandborrning används företrädesvis en pulslängd som är under 500 mikrosekunder, företrädesvis 1-50 mikrosekunder. Pulsen kan vidare vara 10 SÛÛ 712 11 uppbyggd av ett antal kortare pulser överlappande eller inte överlappande varandra.

Den bakre spegeln 21 som visas på Fig. 4 och 6 är i de fall där optisk matning bakifrån tillämpas permeabel för ljuset från den matande ljuskällan men icke permeabel för ljuset från kristallen.

Uppfinningen är icke begränsad till de visade utförings- formerna utan kan varieras på olika sätt inom patentkravens ram .

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 2712 12 Patentkrav

1. Anordning för emission av ljus eller laserljus, k ä n n e t e c k n a d a v att den innefattar ett för handen anpassat långsträckt. hölje inrymmande en laser- ljusalstrande kristallenhet (1) mellan en främre (4) och en bakre (3, 21) spegel samt tillförselsanordningar (16, 23) för energi till laserkristallen (1) och utmatningsanord- ningar (9, 18) för emitterat ljus eller laserljus.

2. k ä n n e t e c k n a d a v att laserkristallenheten (1) Anordning enligt kravet 1, utgöres av en erbiumkristallenhet.

3. k ä n n e t e c k n a d a v att tillförselsanordningarna Anordning enligt kravet 1 eller 2, (16, 23) för energi innefattar en anordning för tillförsel av elektrisk energi med hög potential, elektrisk energi med låg potential eller ljus.

4. Anordning enligt något av kraven 1-3, k ä n n e t e c k n a d a v att laserkristallenheten (1) matas med ljusenergi lateralt från en lampa (2).

5. Anordning enligt något av kraven 1-3, k ä n n e t e c k n a d a v att laserkristallenheten (1) matas vid ena ändan från en diod (22).

6. k ä n n e t e c k n a d a v att utmatningsanordningen för (9) eller optiska fibrer Anordning enligt något av kraven 1-5, innefattar ett ljusriktstycke med 10) emitterat ljus speglar (8, 11) (18) eller en ihålig ljusledare. och linser (7,