WO2019074165A1 - 레이저 발생장치 - Google Patents

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WO2019074165A1
WO2019074165A1 PCT/KR2018/001415 KR2018001415W WO2019074165A1 WO 2019074165 A1 WO2019074165 A1 WO 2019074165A1 KR 2018001415 W KR2018001415 W KR 2018001415W WO 2019074165 A1 WO2019074165 A1 WO 2019074165A1
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laser
switching element
pulse
optical switching
optical
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김정현
유한영
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원텍주식회사
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    • A61B2018/00452—Skin

Definitions

  • 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.
  • Q-switching method and mode-locking method are 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 power of a short pulse. So the development history of pico-second laser pulses is consistent with the development of this mode locking method.
  • 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.
  • the passive type uses a saturated absorber, which makes it difficult to control the mode locking.
  • mode-locking technology 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.
  • a picosecond pulse generation technique that generates a picosecond pulse with an output of several hundreds of mJ requires at least two or three pulse generation techniques.
  • Passive control such as cue switching and mode locking, active control switching using a combination of cue switching, cavity dumping or pulse slicing, and stimulated brillouin scattering (SBS) Compression techniques can generate pulses in the high power picosecond range.
  • SBS stimulated brillouin scattering
  • 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 ) Q switching 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, And a picosecond pulse time to be extracted by the second optical switching element 102 at the time when a first Q switching optical pulse generated by the first optical switching element 105 is generated after a lapse of a predetermined time, If a pulse of the second Q switching signal is applied to the second optical switching element, optical amplification is caused in the resonator, and after a predetermined time, another pulse is applied to the second optical switching element to extract a high output picosecond pulse.
  • 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.
  • pigment lesions have a relatively low absorption rate with respect to water, and thus require a high output.
  • 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.
  • FIG. 1 is a schematic view of a high power picosecond pulse laser generating apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a flow of a cue switch driving signal of the high-power picosecond pulse laser of the present invention.
  • FIG. 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. 1 is a schematic diagram of a picosecond pulse laser generating apparatus according to the present invention.
  • a laser gain medium 103 is pumped as a pumping light source, the laser oscillates after a predetermined time elapses.
  • Nd YAG, Ruby, Alexandrite, Erbium and Co2 are commonly used.
  • non-linear crystals potassium dihydrogenphosphate (KDP) and potassium phosphate potassium phosphate (DKDP) crystals are used, which changes the direction of polarization of the proceeding light by using the linear electro-optic effect.
  • the optical switching element (102, 105) is a nonlinear crystal electro-optic effect splitter: DKDP.
  • 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, And a pico light
  • the pulse is extracted.
  • the output of the generated picosecond light pulse is emitted through the polarizer 104.
  • FIG. 2 is a diagram of a Q-switch driving signal flow according to the present invention.
  • a laser build up time is set to be several nanoseconds to several tens of nanoseconds And generates a pulse.
  • Switching trigger pulse is applied to the optical switching element to generate a light pulse having a pulse of several hundred picoseconds or sub-nanoseconds (T1), and after a certain time (?
  • a laser Q- A second Q-switching trigger pulse is applied (T2) before the appearance of the Q-switching pulse, and a time Q-1 corresponding to the picosecond pulse time to be extracted to the optical switching element at a time (T3)
  • T1 a laser Q- A second Q-switching trigger pulse is applied (T2) before the appearance of the Q-switching pulse, and a time Q-1 corresponding to the picosecond pulse time to be extracted to the optical switching element at a time (T3)
  • the resonator amplifies the self-injected light, and the pulse is again applied to the optical switching element after a predetermined time (t3) to extract the pico-optical pulse.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • one or two optical switching elements of the resonator can be used and can be changed according to the Q-switching sequence design.

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Abstract

본 발명은 Nano초 펄스레이저 와 고출력 Pico초 펄스레이저를 발생시키기 위해서 하나의 공진기로 필요에 따라 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 발생시키는 것으로, 이를 위해서 제1 광switching 소자(105)와 제2 광switching 소자(102)를 공진기 내부에 위치시키고, 제1 광switching소 자(105)와 제2 광switching 소자(102)를 통해서 Nano초 펄스레이저 와 고출력 피코초 펄스레이저를 생성하도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 17.04.2018]　레이저 발생장치
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.
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.
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 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 첨두전력을 얻기에 유리하다. 그래서 피코초 레이저펄스의 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 모드락킹(Mode-Locking) 기술이 주로 사용되고 있으나 이 기술로 생성할 수 있는 출력은 수십mJ 정도 이며, 의료분야의 색소치료용으로 사용되기 위해서는 최소 ~수백mJ의 출력이 필요하다.
수백mJ급의 출력을 하는 피코초펄스 발생하는 피코초펄스 생성기술은 최소 2~3가지 정도의 펄스생성기술이 필요하다. 큐스위칭과 모드락킹을 이용한 방법이나 큐스위칭과 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.
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 발생시키기 위해서 하나의 공진기로 필요에 따라 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 발생시키고자 한다.
수백 피코초 또는 나노초(nano second)급 펄스를 갖는 광펄스를 생성하기 위해서 제1 광switching소자(105)와 제2 광switching소자(102)를 공진기 내부에 위치시키고, 제1 광switching소자(105)에 Q스위칭 Trigger펄스를 인가하고, 일정시간 경과후 제1 광switching소자(105)의 광switching작용에 의해서 제1레이저 Q스위칭광펄스가 생성되기 전에 제2 광switching소자(102)에 Q스위칭 Trigger펄스를 인가하고, 일정시간 경과후 제1 광switching소자(105)에 의해서 생성된 제1 Q스위칭광펄스가 생성되는 시점에서 제2 광switching소자(102)에 의해서 추출하고자 하는 피코초펄스 시간만큼 제2 Q스위칭신호의 펄스가 인가되면 공진기에서 광증폭을 일으키고, 일정시간 후에 또 한번 펄스를 제2 광switching소자에 인가하여 고출력 피코초광펄스를 추출한다.
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.
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
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 전압
도1은 본 발명의 피코초 펄스레이저 생성장치의 개략도로서, 펌핑광원으로 레이저이득매질(103)을 펌핑하면 일정시간 경과 후에 레이저가 발진하게 된다. 레이저이득매질로는 일반적으로 Nd:YAG, Ruby, Alexandrite, Erbium, Co2 등이 흔히 사용된다. 비선형결정체로는 인 칼륨 디 하이드로 겐 인산염 (KDP)과 인산 칼륨 인산 칼륨 (DKDP) 결정이 사용되며 이는 선형 전기광학효과를 이용하여 진행하는 빛의 편광의 방향을 바꾸어주는 역할을 한다. 본 발명에서는 광 switching 소자(102,105)로 비선형 결정체인 전기광학효과에 의한 광편향기 : DKDP를 사용한다.
상기 발진된 레이저는 수백피코초 또는 서브나노초(sub-nanosecond)급 펄스를 갖는 광펄스를 생성하기 위해서 제1 광switching소자(105)와 제2 광switching소자(102)를 공진기내부에 위치시키고, 제1 광switching소자(105)에 Q-스위칭 Trigger펄스를 인가하고, 일정시간 경과후 제1 광switching소자(105)의 광스위칭작용에 의해서 제1레이저 Q-스위칭광펄스가 생성 되기전에 제2 광switching소자(102)에 Q-스위칭 Trigger펄스를 인가하고, 일정시간 경과후 제1 광switching소자(105)에 의해서 생성된 제1 Q-스위칭광펄스가 생성되는 시점에서 제2 광switching소자(102)에 의해서 추출하고자 하는 피코초펄스시간 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.
도2는 본 발명의 Q-스위치 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 광switching소자에 Q-스위칭Trigger펄스를 인가하고(T1) 일정시간 경과후(Δt1) 레이저 Q-스위칭 광펄스가 출현하기 전에 두번째 Q-스위칭 Trigger펄스를 인가하고(T2) 일정시간 경과후(Δt2) Q-스위칭광펄스가 생성되는 시점(T3)에서 광스위칭소자에 추출하고자 하는 피코초펄스시간 만큼의시간 Q-스위칭신호의 펄스가 인가되면 공진기에서 자체주입 광증폭을 일으키고 일정시간후(Δt3)에 또한번 펄스를 광스위칭소자에 인가하여 피코초광펄스를 추출하는 원리이다.
도3은 제1 광switching소자(105)의 광스위칭작용에 의해서 제1 레이저 Q-스위칭 광펄스를 생성하는 개략도로 도4에서와 같이 Q-Trigger 신호후 Q-스위칭펄스가 생성되게 된다. 전술한 제1 광switching 소자(105)와 제2 광switching 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 광switching소자(105)의 전원이 on 이고 제2 광스위칭소자(102)의 전원이 off 상태에서는 Nano초의 Pulse Laser가 발생하고, 제1 광switching 소자(105)의 전원이 on 이고 제2 광switching 소자(102)의 전원이 on 상태에서는 Pico초의 Pulse Laser가 발생하게 된다.
본 발명에서는 Nano초 펄스레이저와 Pico초 펄스레이저를 하나의 공진기로 일체화 하며, 광switching 소자 만 추가 함으로서 Simple하고 Compact한 Nano초 펄스레이저 와 Pico초 펄스레이저를 발생시키는 복합 장비가 되어, 필요에 따라 Nano초 펄스레이저와 Pico초 펄스레이저를 발생 시킬수 있게 된다. 본 발명을 위해 공진기의 광switching 소자는 1개 또는 2개를 사용할수 있고, Q-스위칭 시퀀스 설계에 따라서 변경될수 있다.
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.

Claims (8)

  1. 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 공진기거울로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 발생장치.
  2. 청구항1에서,
    제1 광스위칭소자 및 제2 광스위칭소자는 DKDP인 것을 특징으로하는 레이저 발생장치
  3. 청구항1에서,
    레이저이득매질로 Nd:YAG / Ruby / Alexandrite / Erbium / Co2 를 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 발생장치
  4. 청구항1에서,
    레이저이득매질을 펌핑하기 위하여 레이저 또는 아크램프중 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 발생장치
  5. 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 / 피코초 펄스레이저가 발생되는 것을 특징으로 하는 레이저 발생장치.
  6. 청구항5에서,
    제1 광스위칭소자 및 제2 광스위칭소자는 DKDP인 것을 특징으로하는 레이저 발생장치
  7. 청구항5에서,
    레이저이득매질로 Nd:YAG / Ruby / Alexandrite / Erbium / Co2 를 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 발생장치
  8. 청구항5에서,
    레이저이득매질을 펌핑하기 위하여 레이저 또는 아크램프중 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 발생장치
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