WO2020080651A1 - 레이저 발생장치 - Google Patents

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WO2020080651A1
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laser
pulse
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laser cavity
generator
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김정현
유한영
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원텍 주식회사
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media

Definitions

  • the present invention relates to a laser generating device in which a laser generated in a plurality of laser generating devices is superimposed to generate a high efficiency laser, or a laser having two or more different wavelengths is superimposed and integrated.
  • the medical laser treatment device varies the depth of penetration into the skin by the type of wavelength, the intensity of the wavelength, and the length of the pulse, and thus selects and treats the wavelength according to the skin lesion.
  • the treatment wavelength also varies. It requires a region and uses various media to oscillate the selected wavelength.
  • the type of wavelength is used by selecting a medium having a desired type of wavelength as a generated wavelength band or by converting a nonlinear optical crystal to a desired wavelength.
  • the laser medium is largely classified into solid, liquid, and gas, and in the case of liquid and gas, when it is not an essential wavelength, it is inconvenient to manage and use, so a solid medium is mainly used.
  • Other solid-state laser media include Alexandrite having a wavelength of 755 nm and Er: yag laser media having a wavelength of 2940 nm.
  • the Nd: YAG laser has a high melting point and hardness, so it can operate continuously at room temperature and operate with a short pulse ( ⁇ 1ps), so it uses xenon (Xe) or krypton (Kr) flash bulbs for pumping or other laser light. do. In addition to excellent physical properties, it has a stable refractive index of 1.823 and a small optical energy loss, so it has an oscillation wavelength in the range of 1052 ⁇ 1444nm, making it suitable as a laser medium of three wavelengths.
  • the intensity of the wavelength increases the intensity of the wavelength by increasing the amount of electrical energy that is amplified or input, and the length of the pulse increases the amount of electrical energy, continuously supplying it at a constant size for a certain time, and adjusting the supply time to adjust the pulse length.
  • This type of laser is commonly referred to as a long pulse laser.
  • the long pulse laser is used as a method for transmitting laser energy deep into the skin to the treatment lesion as the treatment lesion is diversified, and the selected wavelength is irradiated to the skin at a constant intensity for several tens of milliseconds.
  • the peak output is low, but the total irradiated energy without damaging the skin epidermis increases the therapeutic effect by irradiating high lesions with a high energy of 10J or more, mainly in accordance with the design of the PFN (Pulse forming network), which is a power supply device. It is possible to obtain a laser pulse for several tens of milliseconds (ms) while increasing the electric energy supply time applied to.
  • PFN Pulse forming network
  • the power supply device used as a medical laser equipment has difficulty in increasing the intensity of the wavelength and the length of the pulse indefinitely due to the limitation of the electric energy supply capacity and the size of the equipment.
  • the wavelength of 1064nm is converted and used due to the characteristics of the wavelength.
  • the use of various transport devices increases, making it difficult to accurately align the laser light.
  • the optical paths at the finally emitted parts must be matched.
  • the laser power generated by pumping laser cavity is limited to a constant power.
  • the size of the laser medium (ROD) must be increased, the size of the lamp must be increased, and the loss of the reflector must also be reduced, but there is a limit to the increase of the output.
  • ROD laser medium
  • a plurality of laser cavities are combined, and the arrangement of optical elements and the collected lasers that collect each laser generated for each cavity into one in the optical path at the finally emitted portion overlap the collected lasers for high efficiency.
  • a laser generator is mounted on one resonator to realize a high power laser.
  • high power can be obtained by superimposing a laser generated by a plurality of laser cavity on one resonator, and if necessary, different wavelengths may be obtained by using laser cavity using different laser media.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a pulse laser generating apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an optical path of a plurality of pulse laser generators according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an optical path of a plurality of pulse laser generators according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing an optical path of a plurality of pulse laser generators according to another embodiment of the present invention.
  • 5 is an example of the arrangement of the laser cavity of the pulse laser generator according to the present invention.
  • Figure 6 is a Time Chart showing the output generation over time by superimposing the laser output generated by the pulse laser generator according to the present invention.
  • 1 is a schematic diagram of a pulse laser generator, the first pulse generator, the second pulse generator, the third pulse generator, and the fourth pulse generator are built into one resonator to match the optical path of the laser generated by each pulse generator. Overlapping, for example, in the case of four pulse generators in the pattern output from the laser output unit, when triggered by the laser control unit with a time difference, the first pulse generator is at a high repetition rate, the second pulse generator is at a high repetition rate, and the third pulse is generated. When the part is driven at a high repetition rate and the fourth pulse generator is driven at a high repetition rate, the entire resonator is driven at a high repetition rate of 4 times the total.
  • each pulse generator is driven at 10 Hz
  • the entire resonator is driven at 40 Hz.
  • Alexandrite is applied to the laser medium of the pulse generator, a laser having a wavelength of 755 nm is generated, a laser having a wavelength of 1064 nm when Nd: YAG is applied, and a laser having a wavelength of 2100 nm when Ho: YAG is applied.
  • the wavelength of the laser generated according to the laser medium applied to the pulse generator is changed.
  • FIGS. 2, 3, and 4. 2 the total reflection mirror 212 for each laser cavity, the laser cavity 211, the partial reflection mirror 212, the beam transmission mirror 213, the combined mirror 214, and the out mirror 215.
  • 4-Laser Cavity 410-Partial reflection Mirror 412-Beam transmission Mirror 413-Beam transmission Mirror ( 414)-Out Mirror 415 is composed of an optical path.
  • FIG. 5 shows the arrangement of the laser cavity in ⁇ shape.
  • (b) is a + shape
  • (c) is a ⁇ shape, and each combination is an optimal optical path.
  • laser cavity (210a, 310a), which is the first pulse generator by t1, is shown.
  • 410a) is 10Hz (T1)
  • the second pulse generator laser cavity (210b, 310b, 410b) is 10Hz (T2)
  • the third pulse generator laser cavity (210c, 310c, 410c) is 10Hz (T3)
  • the laser cavity 4th pulse generation unit 210d, 310d, 410d is driven at 10Hz (T4), and when driven again at 40Hz, T1 + T2 + T3 + T4 is made within 1 second.
  • the laser controller may simultaneously trigger t1, t2, t3, and t4.
  • the laser generated in each of the first pulse generator, the second pulse generator, the third pulse generator, and the fourth pulse generator is superimposed on the same optical path, and is a method for realizing high power.
  • One or two or more media may be applied to the laser medium applied to the laser cavity of the generator.
  • the first pulse generator can apply Nd: YAG material to the laser of 1064nm wavelength and the second, 3, 4 pulse generator to apply Ho: YAG material to realize a laser of 2100nm wavelength in one resonator.
  • Nd YAG material
  • Ho YAG material to realize a laser of 2100nm wavelength in one resonator.
  • the optical signal t1 is triggered, the 1064nm wavelength is generated by T1 in the first pulse generator, and when the optical signals t2, t3, and t4 are triggered, the laser of 2100nm wavelength is generated by T2, T3, and T4 in the second, 3, and 4 pulse generators. do. In this way, a multi-wavelength laser can be generated in one resonator.

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Abstract

하나의 공진기에 있어서, 다수개의 레이저 Cavity 를 조합하고 각 Cavity별로 생성된 각각의 레이저를 최종적으로 출사되는 부분에서의 광경로에 하나로 모아주는 광학소자의 배치와 모아진 레이저를 중첩하여 고효율의 고출력 레이저를 구현하도록 한 것으로, 다양한 패턴으로 Trigger 시키고 레이저출력을 얻는 것을 특징으로 하는 레이저 발생장치.

Description

레이저 발생장치
본 발명은 다수개의 레이저 생성장치에서 생성된 레이저를 중첩하여 고효율 레이저를 발생시키거나, 또는 둘 이상의 서로 다른 파장을 갖는 레이저를 중첩하여 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.
하나의 공진기에 있어서 각각의 레이저 생성장치에서 생성된 다수개의 레이저를 중첩하기 위해서는 최종적으로 출사되는 부분에서의 광경로가 일치되어야 한다, 레이저 Cavity를 Pumping 하여 발생된 레이저 출력은 일정한 출력으로 제한된다. 이 출력을 높이기 위해서는 레이저 매질(ROD)의 크기를 키우고, Lamp 의 크기도 키우고 또한 반사체의 손실도 줄여야 하나 출력의 상승에는 한계가 있다. 이를 극복하기 위한 방안으로 다수개의 레이저 생성장치를 개별적으로 Pumping 하여 생성되는 레이저를 광경로를 일치시키고 중첩하여 출력을 높일 수 있는 레이저 발생장치를 제공하기 위 한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 다수개의 레이저 Cavity 를 조합하고 각 Cavity별로 생성된 각각의 레이저를 최종적으로 출사되는 부분에서의 광경로에 하나로 모아주는 광학소자의 배치와 모아진 레이저를 중첩하여 고효율의 고출력 레이저를 구현하도록 레이저 발생장치를 하나의 공진기에 탑재한다
본 발명에 의해 하나의 공진기에 다수개의 레이저Cavity에서 생성된 레이저를 하나로 중첩하여 고출력을 얻을 수 있으며 필요 시 서로 다른 레이저 매질을 적용한 레이저 Cavity로 서로 다른 파장을 얻을 수도 있다. 아울러 레이저를 동시 또는 순차적으로 발생시켜 다양한 피부 병변에 적용 가능한 레이저 치료기기의 개발이 가능하다.
도1은 본 발명에 의한 펄스레이저 생성장치의 개략도이다.
도2는 본 발명에 의한 일 실시예로 다수개의 펄스레이저 생성장치의 광 경로를 도시한 개략도이다.
도3은 본 발명에 의한 다른 실시예로 다수개의 펄스레이저 생성장치의 광 경로를 도시한 개략도이다.
도4는 본 발명에 의한 또 다른 실시예로 다수개의 펄스레이저 생성장치의 광 경로를 도시한 개략도이다.
도5는 본 발명에 의한 펄스레이저 생성장치의 레이저Cavity 배치 예.
도6는 본 발명에 의한 펄스레이저 생성장치에서 생성된 레이저 출력을 중첩시켜 시간에 따른 출력생성을 나타내는 Time Chart.
도1은 펄스레이저 생성장치의 개략도로 제1펄스 발생부 제2펄스 발생부 제3펄스 발생부 제4펄스 발생부를 하나의 공진기에 내장하여 각각의 펄스 발생부에서 생성된 레이저의 광 경로를 일치 중첩시킨 것으로, 레이저 출력부의 출력되는 패턴의 예를 들면 4개의 펄스발생부의 경우 시간차를 두고 레이저 제어부에서 Trigger 시키면 제1 펄스발생부는 고반복률 로, 제2 펄스발생부는 고반복률 로, 제3 펄스발생부는 고반복률 로, 제4 펄스발생부는 고반복률 로 구동시키면 공진기 전체로는 Total 4배수의 고반복률로 구동되는 방식이다. 예를들면 각각의 펄스발생부가 10Hz로 구동한다면 공진기 전체로는 40Hz로 구동된다. 또한 펄스 발생부의 레이저 매질을 Alexandrite 를 적용하는 경우는 755nm 파장의 레이저가, Nd:YAG 를 적용하는 경우는 1064nm 파장의 레이저 그리고 Ho:YAG 를 적용하는 경우는 2100nm 파장의 레이저가 생성된다. 이렇게 펄스 발생부에 적용되는 레이저 매질에 따라 생성되는 레이저의 파장은 달라진다.
펄스 레이저 생성장치를 배열한 여러 실시예를 도2, 도3, 도4 에서 나타내었다. 이를 상세히 설명하면 도2에서는 각각의 레이저 Cavity 별로 전반사 Mirror(212) - 레이저 Cavity(211) - 부분반사 Mirror(212) - Beam 전송 Mirror(213) - Combine Mirror(214) - Out Mirror(215) 의 광 경로가, 도3에서도 각각의 레이저 Cavity 별로 전반사 Mirror(311) - 레이저 Cavity(311) - 부분반사 Mirror(312) - Beam 전송 Mirror(313) - Beam 전송 Mirror(314) - Beam 전송 Mirror(315) - Out Mirror(316) 의 광 경로가 그리고 도4에서도 각각의 레이저 Cavity 별로 전반사 Mirror(411) - 레이저 Cavity(410) - 부분반사 Mirror(412) - Beam 전송 Mirror(413) - Beam 전송 Mirror(414) - Out Mirror(415) 광 경로로 구성된다.
하나의 공진기 내부에 다수개의 레이저 Cavity 배열을 효과적으로 배치하기 위하여 도5 (a), (b), 또는 (c) 에서와 같은 구조로 설치 상세히 설명하면 (a)는 레이저Cavity 의 배열을 ㅁ 형상으로, (b)는 + 형상으로, (c)에서는 ─ 형상으로 조합하였으며 상기 각각의 조합은 최적의 광 경로가 되도록 한다.
도6에서와 같이 레이저 제어부에서 t1, t2, t3, t4 로 시간차를 두고 광신호를 Trigger 시키는 일 례를 Time Table로 도시한 것으로 상세히 설명하면 t1에 의해 제1 펄스발생부인 레이저Cavity(210a, 310a, 410a) 는 10Hz (T1) 로, 제2 펄스발생부인 레이저Cavity(210b, 310b, 410b) 는 10Hz (T2)로, 제3 펄스발생부인 레이저Cavity(210c, 310c, 410c) 는 10Hz (T3) 로, 제4 펄스발생부인 레이저Cavity(210d, 310d, 410d) 는 10Hz (T4) 로 구동되어 40Hz로 구동 다시 표현하면 T1 + T2 + T3 + T4 는 1 second 내에 이루어 진다. 상술한 바는 순차적으로 Trigger 시킨 사례를 설명하였으나 다른 예로는 레이저 제어부에서 t1, t2, t3, t4 를 동시에 Trigger 시킬 수도 있다.
본 발명에서는 상술한 바와 같이 제1펄스발생부 제2펄스발생부 제3펄스발생부 제4펄스발생부 각각에서 생성된 레이저를 동일한 광 경로에 중첩시켜 고출력을 구현하기 위한 방법이며 또한 다수개의 펄스발생부의 레이저 Cavity 에 적용되는 레이저 매질을 하나 또는 2이상의 매질을 적용할 수도 있다.
예를들면 제1펄스 발생부는 Nd:YAG 재질을 적용하여 1064nm 파장의 레이저와 제2, 3, 4펄스 발생부는 Ho:YAG 재질을 적용하여 2100nm 파장의 레이저를 하나의 공진기에서 구현할 수 있게 된다. 광신호 t1 을 Trigger 시키면 제1펄스 발생부 에서는 1064nm 파장이 T1 만큼 그리고 광신호 t2, t3, t4 을 Trigger 시키면 제2, 3, 4펄스 발생부 에서는 2100nm 파장의 레이저가 T2, T3, T4 만큼 생성된다. 이렇게 하나의 공진기 에서 다파장의 레이저를 생성할 수 있게 된다
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.
<부호의 설명>
210, 310, 410 : 레이저 Cavity
211, 213, 311, 313, 314, 315, 411, 413, 414 : 전반사 Mirror
212, 312, 412 : 부분반사 Mirror 214 : Combine Mirror
215, 316, 415 : Out Mirror

Claims (4)

  1. 레이저 발생장치에 있어서,
    레이저 Cavity에서 생성된 레이저를 전반사 시키는 전반사 Mirror, 부분반사 Mirror, Beam 전송Mirror, Out Mirror의 광경로를 구비한 펄스 발생부;
    다수개의 상기 펄스발생부에서 생성된 레이저의 광경로가 일치되도록 중첩시키고, 레이저Cavity #1, 레이저Cavity #2, 레이저Cavity #3, 레이저Cavity #4 를 순차적으로 Trigger 시키고, Trigger 시킨 레이저Cavity별로 순차적으로 펄스가 발생되어 고출력의 레이저출력을 얻는 것을 특징으로 하는 레이저 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저Cavity별로 순차적으로 Trigger되어 각각의 펄스발생부에서 생성된 레이저에 있어서, 레이저Cavity별로 순차적으로 발생된 전체 펄스들의 발생시간은 1sec 이내 인 것을 특징으로 하는 레이저 발생장치.
  3. 레이저 발생장치에 있어서,
    레이저 Cavity에서 생성된 레이저를 전반사 시키는 전반사 Mirror, 부분반사 Mirror, Beam 전송Mirror, Out Mirror의 광경로를 구비한 펄스 발생부;
    다수개의 상기 펄스발생부에서 생성된 레이저의 광경로가 일치되도록 중첩시키고, 레이저Cavity #1, 레이저Cavity #2, 레이저Cavity #3, 레이저Cavity #4 를 동시에 Trigger시켜 각각의 펄스발생부에서 생성된 레이저가 중첩되어 고출력을 구현하는 것을 특징으로 하는 레이저 발생장치
  4. 다수개의 펄스발생부를 구비한 의료용 레이저 발생장치에 있어서, 레이저Cavity 의 조합을 ㅁ / ─ 형상으로 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 발생장치
PCT/KR2019/009345 2018-10-15 2019-07-26 레이저 발생장치 WO2020080651A1 (ko)

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