WO2020111514A1 - 출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치 - Google Patents

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WO2020111514A1
WO2020111514A1 PCT/KR2019/013892 KR2019013892W WO2020111514A1 WO 2020111514 A1 WO2020111514 A1 WO 2020111514A1 KR 2019013892 W KR2019013892 W KR 2019013892W WO 2020111514 A1 WO2020111514 A1 WO 2020111514A1
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WO
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laser
thulium
holmium
output
oscillator
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PCT/KR2019/013892
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French (fr)
Inventor
김정수
이정민
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비손메디칼 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
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/07—Construction or shape of active medium consisting of a plurality of parts, e.g. segments
    • 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
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials

Definitions

  • the present invention relates to a device capable of selectively outputting a thulium laser and a holmium laser, and more particularly, to a thulium laser and a holmium laser output device having improved output.
  • Thulium (Tm) lasers and Holmium (Ho) lasers are used in the medical field, particularly in the urology field.
  • the Thulium laser has a wavelength of approximately 1950 nm, and is generally irradiated by a continuous wave (CW) or quasi-continuous wave (QCW), and is mainly used for resection and hemostasis in surgical procedures. do.
  • CW continuous wave
  • QCW quasi-continuous wave
  • the holmium laser has a wavelength of around 2100 nm, and is generally irradiated by a pulse method, and is used for crushing of urinary tract stones due to its high peak power.
  • a thulium CW laser is used for resection and hemostasis, and a holmium laser is used for crushing stones.
  • a device capable of simultaneously irradiating two different lasers has been recently developed and used.
  • FIG. 1 shows the structure of a thulium and holmium laser output device according to the prior art.
  • a thulium laser (or a thulium fiber laser) may be output by a fiber amplification method in which the basic light of the laser diode is injected into the optical fiber to amplify and then output through a collimator using thulium as a medium.
  • a thulium DPSS (Diode Pumped Solid State) laser is also widely used.
  • thulium fiber laser is a laser that is widely used for industrial purposes due to its high efficiency and high stability. Meanwhile, a large amount of SMPS of a low voltage (eg, 1.5 V stack) high current (eg, several tens of A) type is used for the laser diode to supply energy. Therefore, since a large amount of heat is generated to output the laser, a water-cooled or air-cooled cooling device is added.
  • the holmium laser is generated using a flash lamp pumping method.
  • the flash lamp supplies strong light energy to the Ho:YAG crystal by side pumping
  • the light is amplified between the two mirrors (HR and OC), and a holmium laser is output through the mirror (OC).
  • the holmium laser generated by flash pumping follows the light emission characteristics of the flash lamp. Therefore, although the peak power is high, it can operate only in a pulsed state, and the laser output efficiency is not good compared to the pumped energy (usually, the output efficiency is 2 to 3%). Therefore, a large amount of energy (for example, 1000 W) of water-cooled cooling device is applied because a large amount of energy is converted into heat.
  • the thulium laser output from the thulium fiber laser oscillation module is incident on the transmission surface of the combiner, passes through the transmission surface, and enters, for example, an input point of an optical fiber or a fiber coupler.
  • the holmium laser output from the holmium laser oscillation module is reflected from the mirror and incident on the reflective surface of the combiner, and is reflected from the reflective surface, and is incident on the input point or fiber coupler of the same optical fiber as the thulium laser.
  • the optical fiber extends into the body through an endoscope or the like so that a thulium laser and/or a holmium laser can be irradiated to the treatment site.
  • the two laser oscillation modules are individual, with little common parts. That is, although the cooling device can be used in common, the laser oscillation module and power supply for the thulium laser and the laser oscillation module and power supply for the holmium laser must be separately provided.
  • a device having an average performance capable of outputting both commercially available thulium lasers and holmium lasers shows the following performance.
  • the thulium laser In the case of the thulium laser, it has a wavelength of 1900 to 2013 nm, and shows a power of about 200 W in a CW method chopped at 50 to 1000 ms.
  • a holmium laser in the case of a holmium laser, it has a wavelength of 2100 to 2123 nm, and shows a power of about 20 W in a pulse method of about 15 Hz.
  • the holmium laser has a relatively low conversion efficiency, so the output is lower than that of a thulium laser.
  • the present invention is to improve the laser oscillation method in a laser output device capable of irradiating a thulium laser and a holmium laser through one optical fiber, thereby providing an improved thulium and holmium laser output device.
  • An output-enhanced thulium and holmium laser output device for achieving the above object includes: a laser light source outputting basic light of a specific wavelength; A thulium oscillator that receives the basic light and converts it to a thulium laser of a first wavelength and outputs it; A holmium oscillator that receives the thulium laser, converts it to a holmium laser of a second wavelength, and outputs it; And a laser selector configured to direct the thulium laser and the holmium laser to a single input point of a single optical fiber, the laser selector configured to select any one of the thulium laser and the holmium laser and direct them to the input point. Is done.
  • the laser selector is disposed between the input point of the thulium laser and the optical fiber, and is movable between a first position interposed in the optical path of the thulium laser and a second position removed from the optical path of the thulium laser.
  • the first position by refracting or reflecting the whole of the thulium laser, the optical path of the thulium laser is guided to the input side of the holmium oscillator, and in the second position, the thulium laser is guided to the input point of the optical fiber.
  • It may further include a first movable mirror.
  • the laser output device includes: an input beam guiding unit including at least one optical element to guide an optical path of the thulium laser output from the thulium oscillator to an input side of the holmium oscillator; And an output beam guiding unit including at least one optical element to guide the optical path of the holm laser output from the output side of the holmium oscillator to the laser selector.
  • the laser selector is disposed between the first movable mirror and the input point of the optical fiber, and further comprises a dichroic mirror that transmits the thulium laser and reflects the holmium laser, and the output beam guiding part is the holmium
  • the laser can be directed towards the reflective surface of the dichroic mirror.
  • the laser selector is disposed between the first movable mirror and the input point of the optical fiber and is further disposed between the output beam inducing portion and the input point of the optical fiber, to guide the optical path of the holmium laser to the input point of the optical fiber.
  • a second movable mirror configured to be movable between a first position and a second position removed from the optical path of the holmium laser, wherein the first movable mirror and the second movable mirror are operated simultaneously and the output beam It is also possible to guide the holmium laser toward the reflective surface of the second movable mirror.
  • the laser output device is characterized in that the thulium oscillator and the holmium oscillator are arranged parallel to each other in the longitudinal direction of the outer shape, and each output side faces the same direction.
  • the thulium and holmium laser output device having the above-described configuration can selectively irradiate thulium laser and holmium laser with improved output through one optical fiber by improving the laser oscillation method.
  • FIG. 1 is a structural diagram of a thulium and holmium laser output device according to the prior art.
  • FIG. 2 is a structural diagram of an output-enhanced thulium and holmium laser output device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 shows an example of the appearance of the output enhanced thulium and holmium laser output device according to the present invention.
  • FIG. 5 is a structural diagram of an output-enhanced thulium and holmium laser output device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows various implementations of the movable mirror.
  • FIG. 2 a schematic structure of an output-enhanced thulium and holmium laser output device according to an embodiment of the present invention will be described.
  • the output-enhanced thulium and holmium laser output device includes a laser light source 110 outputting basic light, a thulium oscillator 120 receiving the basic light and converting it to a thulium laser, and outputting the thulium laser.
  • a holmium oscillator 150 which receives input and converts it to a holmium laser of a second wavelength, and is configured to direct the thulium laser and the holmium laser to a single input point of a single optical fiber, but select any one of the lasers to select the It comprises a laser selector 131 configured to be guided to the input point.
  • the laser light source 110 outputs a laser of a predetermined wavelength to the oscillator side including a specific medium.
  • the output laser will be output by converting the wavelength by the medium in the corresponding oscillator.
  • the laser light source 110 may include a laser diode (LD) or other light emitting means.
  • LD laser diode
  • the basic light of the laser light source 110 will pass through the thulium oscillator 120 and be converted to a thulium laser, and for this, the wavelength of the basic light may be selected to about 700 nm.
  • the thulium oscillator 120 amplifies and converts the basic light incident through the input unit 121 into an optical fiber amplification method, thereby thulium laser having a first wavelength (for example, 1900 to 2050 nm band) Is generated and output through the output unit 122.
  • a first wavelength for example, 1900 to 2050 nm band
  • the thulium laser output by the optical fiber amplification method is dependent on the output characteristics of the laser light source 110, but may be a CW or QCW method.
  • the holmium oscillator 150 uses a thulium laser output from the thulium oscillator 120 as a light source. That is, the conventional holmium oscillator operates as a side pumping method using light of a flash lamp as shown in FIG. 1. However, in the present invention, by using the CW or QCW type thulium laser output from the thulium oscillator 120 as a pumping light source, the laser conversion efficiency of the holmium oscillator 150 is improved.
  • the absorption spectrum according to the wavelength of holmium With reference to Figure 3, it can be seen that the absorption is particularly high in the 1850 ⁇ 1950 nm band. Meanwhile, since the thulium laser is distributed in the 1900 nm band, when the thulium laser is pumped by the holmium oscillator 150, the holmium doped YAG (Ho:YAG) laser can be converted with high efficiency.
  • the holmium doped YAG (Ho:YAG) laser can be converted with high efficiency.
  • the output ratio of a holmium laser pumped with a thulium laser showed an efficiency of about 100:40.
  • 200 W of a thulium laser is input to a holmium oscillator and pumped, 80 W Holmium laser was output. That is, the holmium laser output 4 times higher than that of the conventional device is output.
  • the thulium laser is directly used as the light source of the holmium oscillator, there is no need to separately provide a flash lamp for the holmium oscillator, and thus a separate high-voltage power supply is not required, and the size and structure of the cooling device is also simplified.
  • the laser selector 131 is disposed between the input point of the optical fiber or the input portion of the fiber coupler 190 in the thulium oscillator 120 to change the optical path of the thulium laser.
  • the laser selector 131 includes a first movable mirror 131 configured to be interposed (first position) or removed (second position) in the optical path of the thulium laser by rotational movement or sliding movement.
  • the first movable mirror 131 is configured to reflect all or almost all of the thulium laser.
  • the thulium laser may be configured such that the first movable mirror 131 is incident at the input position of the optical fiber or the fiber coupler 190 if it does not interfere with the optical path at the second position. Meanwhile, when the first movable mirror 131 moves to the first position and is interposed in the optical path of the thulium laser, the optical path of the thulium laser is changed to the input unit 151 of the holmium oscillator.
  • an input beam induction unit including optical elements such as one or more lenses, mirrors, and combiners for guiding the thulium laser reflected by the first movable mirror 131 to the input unit 151 of the holmium oscillator may be added.
  • the thulium oscillator 120 and the holmium oscillator 150 have a generally long shape, so that each output unit 122 and 152 is arranged side by side to face the input point of the optical fiber, optimizing the optical path of the laser and the entire device It is desirable for the purpose of reducing the size of and facilitating device design. Accordingly, there is a need for an input beam inducing unit for changing the optical path of the thulium laser toward the input point of the optical fiber FC in the required direction (for example, toward the input of the holmium laser).
  • the input beam guiding portion should be designed to minimize the thulium laser light path, and it is preferable that the mirrors used at this time have the maximum reflection efficiency for the thulium laser.
  • the input beam inducing portion shows three mirrors 141, 142, and 143 for reflecting the thulium laser reflected from the first movable mirror 131 toward the input portion 151 of the holmium oscillator.
  • an output beam inducing unit and a dichroic mirror 171 for guiding the optical path of the holmium laser output from the holmium oscillator 150 to the input point of the optical fiber or the input point of the fiber coupler 190 may be added.
  • the dichroic mirror 171 may be disposed between the output portion 122 of the thulium oscillator and the input point of the optical fiber FC, in particular, between the first movable mirror 131 and the input point, and transmits the thulium laser.
  • Holmium lasers have reflective properties. That is, the dichroic mirror 171 is disposed at a predetermined angle with respect to the optical path of the thulium laser in front of the input point, for example, at 45°, so that the thulium laser incident on the transmission surface which is one side of the optical fiber (FC ) Is transmitted toward the input point, and the holmium laser incident on the reflective surface opposite to the transmission surface is also reflected toward the input point of the optical fiber FC.
  • the thlium laser passes through the dichroic mirror 171 from the output portion 122 of the thlium oscillator to reach the input point of the optical fiber ( The first movable mirror has been moved to the second position).
  • the thulium laser is output from the output portion 122 of the thulium laser, reflected by the first movable mirror 131, and again, the three mirrors 141 of the input beam guide portion 142, 143) to reach the input unit 151 of the holmium oscillator, the holmium oscillator 150 converts the thulium laser to a holmium laser, and the holmium laser output from the output 152 of the holmium oscillator is an output beam induction unit After being reflected from the mirror 161 of the dichroic and reflected from the reflective surface of the dichroic mirror 171, the input point of the optical fiber is reached.
  • control of the light source can be terminated only by operating the laser light source, and by controlling the position of the first movable mirror 131, one of the two lasers can be selected and used. do.
  • Fig. 4 shows an example of an output-enhanced thulium and holmium laser output device according to the present invention, having the configuration and features as described above.
  • the laser output device may include a control module for controlling functions of each part, and a display device for providing an audio-visual interface for controlling the operation of the control module.
  • the display device may be implemented, for example, as a touch screen.
  • a cooling device including a water tank, a water pump, and a radiator.
  • a laser light source that emits a laser basic light to be amplified with a thulium laser and a power supply (SMPS) for driving the same also have a large share.
  • SMPS power supply
  • a thulium oscillator and a holmium oscillator are disposed, and components such as a first movable mirror, an input beam guide, an output beam guide, and a dichroic mirror may be arranged.
  • the resulting thulium laser or holmium laser is output through a fiber coupler, to which an optical fiber that can be inserted into the endoscope can be combined.
  • the laser output device capable of outputting the thulium laser and the holmium laser using one laser light source with improved efficiency, even if only one cooling light source, a power supply, and one light source that occupy most of the device are provided
  • the size of the device is reduced and the price is not only low, but also space arrangement, design efficiency, ease of use/maintenance, mobility, and power consumption can be improved.
  • the dichroic mirror 171 can also be configured as a movable mirror. That is, when the first movable mirror 131 moves to the first position, the movable mirror (second movable mirror) 136, which replaces the dichroic mirror, is also interposed in the optical path of the thulium laser to embed the holmium laser into the optical fiber. When reflecting to the input point and the first movable mirror 131 moves to the second position, the second movable mirror 136 may also be removed from the optical path of the thulium laser. In this configuration, in the case of the use of a thulium laser, the thulium laser can reach the input point of the optical fiber with an optimal optical path without transmitting/reflecting any (or unnecessary) optical element, thereby increasing efficiency. .
  • this figure is all the same, except that the first movable mirror 131 and the second movable mirror 136 can move simultaneously.
  • the first movable mirror 135 and the second movable mirror 136 are shown, respectively.
  • the first movable mirror 135 is a mirror having a characteristic of reflecting all or almost all of the thulium laser, and changes the optical path of the thulium laser to face the input beam guide unit 141.
  • the second movable mirror 136 is also a mirror having a characteristic of reflecting all or almost all of the thulium laser, and changes the optical path of the holmium laser emitted from the output beam guide unit 161 to face the input point of the optical fiber.
  • the first movable mirror 135 and the second movable mirror 136 may be operated simultaneously. At the same time, they can move to a first position interposed in the optical path of the thulium laser or to a second position removed from the optical path of the thulium laser.
  • FIG. 6 illustrates various implementations of the movable mirror that can be used in the present invention.
  • (a) shows a flip-type movable mirror 131 that can be moved in a flip manner and held in a first position and a second position as shown in FIG. 2.
  • the mirror 131 flips around an arbitrary axis of rotation to be interposed or removed as an optical path of the thulium laser.
  • (b) shows a slide-type movable mirror 131 that can be moved in a slide manner and held in a first position and a second position. By sliding in the plane direction of the mirror 131 or in the normal direction or in any direction, it can be interposed or removed in the optical path of the thulium laser.
  • (c) is a rotating plate-type movable mirror capable of inserting or removing a mirror in the optical path of the thulium laser by rotating the rotating plate, and also inserting or removing a permeate (for example, a lens or a through hole) in the optical path. It shows.
  • a mirror 135 and a through hole 139 may be formed on the rotating plate, and by controlling the angle of rotation, the thlium laser is reflected through the mirror of the optical path of the thulium laser, or through the optical path of the thulium laser (139 ) To transmit the thulium laser.
  • This drawing is for conceptually explaining various methods of the movable mirror, and the movable direction, the placement direction, the rotation axis, and the rotation direction of the movable mirror are arbitrarily set, and the incident direction of the laser is also set arbitrarily.
  • it is an optical element capable of changing the optical path, it is obvious that a movable mirror having a variety of different moving methods and shapes can be applied.

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Abstract

본 발명의 출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치는, 기본광을 출력하는 레이저 광원과, 상기 기본광을 입력받아 제1 파장의 툴륨 레이저로 변환하여 출력하는 툴륨 발진기와, 상기 툴륨 레이저를 입력받아 제2 파장의 홀뮴 레이저로 변환하여 출력하는 홀뮴 발진기와, 상기 툴륨 레이저 및 상기 홀뮴 레이저를 단일 광파이버의 단일 입력점으로 유도하도록 구성되되, 상기 툴륨 레이저 및 상기 홀뮴 레이저 중 임의의 하나를 선택하여 상기 입력점으로 유도할 수 있게 구성된 레이저 선택부를 포함하여 이루어진다.

Description

출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치
본 발명은 툴륨 레이저 및 홀뮴 레이저를 선택적으로 출력할 수 있는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 출력이 향상된 툴륨 레이저 및 홀뮴 레이저 출력 장치에 관한 것이다.
의료 분야, 특히 비뇨기과 분야에서는 툴륨(Thulium; Tm) 레이저와 홀뮴(Holmium; Ho) 레이저가 사용되고 있다.
툴륨 레이저는 파장이 대략 1950 nm 근방으로서, 일반적으로 연속 조사 방식(Continuous wave; CW) 또는 유사 연속 조사 방식(Quasi-Continuous wave; QCW)으로 조사되며, 외과 시술에 있어서 절제 및 지혈용으로 주로 사용된다.
홀뮴 레이저는 파장이 2100 nm 근방으로서, 일반적으로 펄스 방식으로 조사되며, 첨두 파워(Peak Power)가 높기 때문에 요로 결석 등의 파쇄용으로 사용된다.
이러한 특성에 따라, 비뇨기과의 신장/요로/방광 결석의 시술에 있어서, 절제 및 지혈에는 툴륨 CW 레이저를 사용하고, 홀뮴 레이저는 결석의 파쇄에 이용하고 있다.
이렇게 두가지 서로 다른 레이저를 동시에 조사할 수 있는 장치가 최근 개발되어 사용되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치의 구조를 도시한다.
먼저, 레이저 다이오드의 기본광을 광파이버에 주입하여 증폭시킨 후 툴륨을 매질로 하여 콜리메이터를 통해 출력시키는 파이버 증폭 방식으로 툴륨 레이저(또는, 툴륨 파이버 레이저)가 출력될 수 있다. 다른 방식으로 툴륨 DPSS(Diode Pumped Solid State) 레이저도 많이 사용되고 있다. 한편, 툴륨 파이버 레이저는 효율이 높고 안정성이 높아 산업용으로 많이 사용되는 레이저이다. 한편, 레이저 다이오드에는 저전압(예를 들면, 1.5 V 스택) 고전류(예를 들면, 수십 A) 타입의 SMPS를 다량 사용하여, 에너지를 공급하게 된다. 따라서, 레이저를 출력하기 위해서 다량의 열이 발생하게 되므로, 수냉식 혹은 공랭식 냉각 장치가 추가된다.
한편, 홀뮴 레이저는 플래시 램프 펌핑 방식을 사용하며 생성된다. 플래시 램프가 사이드 펌핑 방식으로 강한 빛 에너지를 Ho:YAG 크리스탈에 공급하게 되면, 2개의 미러(HR 및 OC) 사이에서 빛이 증폭되어 미러(OC)를 통해 홀뮴 레이저가 출력된다. 플래시 펌핑으로 생성된 홀뮴 레이저는 플래시 램프의 발광 특성을 그대로 따라가게 된다. 따라서, 피크 파워가 높지만 펄스 상태로만 작동할 수 있고, 펌핑한 에너지 대비 레이저 출력 효율이 좋지 않다(보통, 2~3%의 출력 효율을 보인다). 따라서, 다량의 에너지가 열로 전환되어 용량이 큰 (예를 들면, 1000 W) 수냉식 냉각 장치가 적용된다. 또한, 플래시 램프에 공급에는 순간적으로 고전압(예를 들면, 수 kV) 고전류(예를 들면, 수십 kA)이 공급되어야 하므로, 소비 전력이 크고, 전원 공급 장치 자체를 위한 공간도 많이 필요하다.
툴륨 파이버 레이저 발진 모듈에서 출력된 툴륨 레이저는 컴바이너의 투과면에 입사되고, 투과면을 투과하여, 예를 들면, 광파이버의 입력점 또는 파이버 커플러에 입사된다. 한편, 홀뮴 레이저 발진 모듈로부터 출력된 홀뮴 레이저는 미러에서 반사되어 컴바이너의 반사면에 입사되고, 반사면에서 반사되어, 툴륨 레이저와 동일한 광파이버의 입력점 또는 파이버 커플러에 입사된다.
광파이버는 내시경 등을 통해 체내로 연장되어 시술 부위에 툴륨 레이저 및/또는 홀뮴 레이저가 조사될 수 있게 한다.
이런 방식으로 두가지 레이저를 하나의 장치에서 동시에 또는 선택적으로 출력할 수 있게 구성하면, 하나의 포트에서 서로 다른 두가지 파장의 레이저가 나올 수 있어 비뇨기과 수술시 상황에 맞는 효율적인 레이저을 선택할 수 있게 된다. 하지만, 2개의 레이저 발진 모듈이 거의 공통된 부분없이 개별적이다. 즉, 냉각 장치는 공통으로 사용할 수 있을지라도, 툴륨 레이저를 위한 레이저 발진 모듈과 전원 공급 장치, 홀뮴 레이저를 위한 레이저 발진 모듈과 전원 공급 장치가 각각 개별적으로 구비되어야 한다.
일례로서, 시중에서 구할 수 있는 툴륨 레이저 및 홀뮴 레이저를 함께 출력할 수 있는 평균적 성능의 장치는, 다음과 같은 성능을 보여준다.
툴륨 레이저의 경우, 1900~2013 nm의 파장으로 가지며, 50~1000 ms로 초핑된 CW 방식으로 200 W 정도의 출력을 보인다.
한편, 홀뮴 레이저의 경우, 2100~2123 nm의 파장을 가지며, 15Hz 정도의 펄스 방식으로 20 W 정도의 출력을 보인다.
이처럼, 홀뮴 레이저는 변환 효율이 상대적으로 낮아서, 툴륨 레이저에 비해 출력이 낮다.
따라서, 본 발명은, 툴륨 레이저와 홀뮴 레이저를 하나의 광파이버를 통해 조사할 수 있는 레이저 출력 장치에 있어서, 레이저 발진 방식을 개선하고, 이로써 출력이 향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치를 제공하고자 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치는, 특정 파장의 기본광을 출력하는 레이저 광원; 상기 기본광을 입력받아 제1 파장의 툴륨 레이저로 변환하여 출력하는 툴륨 발진기; 상기 툴륨 레이저를 입력받아 제2 파장의 홀뮴 레이저로 변환하여 출력하는 홀뮴 발진기; 상기 툴륨 레이저 및 상기 홀뮴 레이저를 단일 광파이버의 단일 입력점으로 유도하도록 구성되되, 상기 툴륨 레이저 및 상기 홀뮴 레이저 중 임의의 하나를 선택하여 상기 입력점으로 유도할 수 있게 구성된 레이저 선택부;를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 레이저 선택부는, 상기 툴륨 레이저와 상기 광파이버의 입력점 사이에 배치되되, 상기 툴륨 레이저의 광경로에 개재되는 제1 위치와 상기 툴륨 레이저의 광경로에서 제거되는 제2 위치 사이를 이동 가능도록 구성되어, 상기 제1 위치에서는 상기 툴륨 레이저의 전부를 굴절 또는 반사시켜 상기 툴륨 레이저의 광경로를 상기 홀뮴 발진기의 입력측으로 유도하고 상기 제2 위치에서는 상기 툴륨 레이저를 상기 광파이버의 입력점으로 유도하는 제1 가동 미러를 더 포함할 수 있다.
더욱, 상기 레이저 출력 장치는, 상기 툴륨 발진기에서 출력측에서 출력된 상기 툴륨 레이저의 광경로를 상기 홀뮴 발진기의 입력측으로 유도하기 위하여 적어도 하나의 광학소자를 포함하는 입력빔 유도부; 및 상기 홀뮴 발진기의 출력측에서 출력된 상기 홀뮴 레이저의 광경로를 상기 레이저 선택부로 유도하기 위하여 적어도 하나의 광학소자를 포함하는 출력빔 유도부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저 선택부는, 상기 제1 가동 미러와 상기 광파이버의 입력점 사이에 배치되며, 상기 툴륨 레이저는 투과시키고 상기 홀뮴 레이저는 반사시키는 이색성 미러를 더 포함하고, 상기 출력빔 유도부는 상기 홀뮴 레이저를 상기 이색성 미러의 반사면을 향해 유도할 수 있다.
더욱, 상기 레이저 선택부는, 상기 제1 가동 미러와 상기 광파이버의 입력점 사이 더욱 상기 출력빔 유도부와 상기 광파이버의 입력점 사이에 배치되되, 상기 홀뮴 레이저의 광경로를 상기 광파이버의 입력점으로 유도하는 제1 위치와 상기 홀뮴 레이저의 광경로에서 제거되는 제2 위치 사이를 이동 가능도록 구성된 제2 가동 미러를 더 포함하고, 상기 제1 가동 미러와 상기 제2 가동 미러는 동시에 조작되고, 상기 출력빔 유도부는 상기 홀뮴 레이저를 상기 제2 가동 미러의 반사면을 향해 유도하는 구성도 가능하다.
특히, 상기 레이저 출력 장치는, 상기 툴륨 발진기와 상기 홀뮴 발진기는, 외형의 길이 방향으로 평행하게 배치되고, 또한 각각의 출력측이 동일한 방향을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치는, 레이저 발진 방식을 개선함으로써 출력이 향상된 툴륨 레이저와 홀뮴 레이저를 하나의 광파이버를 통해 선택적으로 조사할 수 있게 된다.
도 1은 종래기술에 따른 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치의 구조도이다.
도 3은 홀뮴의 흡수 스펙트럼을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치의 외형의 예시를 보여준다.
도 5는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치의 구조도이다.
도 6은, 가동 미러의 다양한 구현예를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치의 바람직한 실시예들을 설명한다. 참고로, 본 발명의 각 구성 요소를 지칭하는 용어들은 그 기능을 고려하여 예시적으로 명명된 것이므로, 용어 자체에 의하여 본 발명의 기술 내용을 예측하고 한정하여 이해해서는 안될 것이다.
먼저, 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치의 개략적인 구조를 설명한다.
본 발명에 따른 출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치는, 기본광을 출력하는 레이저 광원(110)과, 상기 기본광을 입력받아 툴륨 레이저로 변환하여 출력하는 툴륨 발진기(120)와, 상기 툴륨 레이저를 입력받아 제2 파장의 홀뮴 레이저로 변환하여 출력하는 홀뮴 발진기(150)와, 상기 툴륨 레이저 및 상기 홀뮴 레이저를 단일 광파이버의 단일 입력점으로 유도하도록 구성되되 상기 레이저들 중 임의의 하나를 선택하여 상기 입력점으로 유도할 수 있게 구성된 레이저 선택부(131)를 포함하여 이루어진다.
레이저 광원(110)은 특정의 매질을 포함하는 발진기 측으로 소정 파장의 레이저를 출력한다. 출력된 레이저는 해당 발진기에서 매질에 의해 파장이 변환되어 출력될 것이다. 레이저 광원(110)은 레이저 다이오드(LD) 또는 기타 발광 수단을 포함할 수 있다. 일례로, 본 발명에서, 레이저 광원(110)의 기본광은 툴륨 발진기(120)를 통과하여 툴륨 레이저로 변환될 것인데, 이를 위해 기본광의 파장은 700 nm 정도로 선택될 수 있을 것이다.
툴륨 발진기(120)는, 종래 기술에서 설명한 바와 같이, 입력부(121)를 통해 입사된 기본광을 광파이버 증폭 방식으로 증폭 및 변환하여 제1 파장(예를 들면, 1900~2050 nm 대역)의 툴륨 레이저를 생성하여 출력부(122)를 통해 출력한다.
일반적으로, 광파이버 증폭 방식으로 출력되는 툴륨 레이저는, 레이저 광원(110)의 출력 특성에 종속되지만, CW 또는 QCW 방식일 수 있다.
홀뮴 발진기(150)는, 본 발명에서는, 툴륨 발진기(120)에서 출력된 툴륨 레이저를 광원으로 사용한다. 즉, 종래의 홀뮴 발진기는 도 1에 도시된 바와 같이 플래시 램프의 광을 이용하는 사이드 펌핑 방식으로 동작하였다. 하지만, 본 발명에서는, 툴륨 발진기(120)에서 출력된 CW 또는 QCW 방식의 툴륨 레이저를 그대로 펌핑 광원으로 사용함으로써, 홀뮴 발진기(150)의 레이저 변환 효율을 향상시켰다.
도 3을 참조하여 홀뮴의 파장에 따른 흡수 스펙트럼을 살펴보면, 1850~1950 nm 대역에서 흡수도가 특히 높은 것을 알 수 있다. 한편, 툴륨 레이저는 1900 nm 대역에 분포하므로, 툴륨 레이저를 홀뮴 발진기(150)에서 펌핑하게 되면, 홀뮴 doped YAG(Ho:YAG) 레이저가 높은 효율로 변환될 수 있게 된다.
실제의 실험에서, 툴륨 레이저로 펌핑한 홀뮴 레이저의 출력비는 100:40 정도의 효율을 나타내었다. 상기 종래 기술에서 언급한 바와 같은 시중에서 구할 수 있는 툴륨 레이저 및 홀뮴 레이저를 함께 출력할 수 있는 평균적 성능의 장치를 이용하였을 때, 200 W의 툴륨 레이저를 홀뮴 발진기에 입력시켜 펌핑한 경우, 80 W의 홀뮴 레이저가 출력되었다. 즉, 종래의 장치에서보다 4배 향상된 홀뮴 레이저가 출력된 것이다. 또한, 이렇게 홀뮴 발진기의 광원으로 툴륨 레이저를 직접 사용하게 되면, 홀뮴 발진기용 플래시 램프를 별도로 구비할 필요가 없고 따라서 별도의 고압 전원 장치가 필요없으며, 냉각 장치의 크기 및 구조도 간단하게 된다.
레이저 선택부(131)는, 툴륨 발진기(120)에서 광파이버의 입력점 또는 파이버 커플러(190)의 입력부의 사이에 배치되어 툴륨 레이저의 광경로를 변경한다. 레이저 선택부(131)는 회전 이동 또는 슬라이딩 이동에 의해 툴륨 레이저의 광경로에 개재되거나(제1 위치) 제거되도록(제2 위치) 구성된 제1 가동 미러(131)를 포함한다. 제1 가동 미러(131)는 툴륨 레이저의 전부 또는 거의 전부를 반사하도록 구성된다.
이하의 설명 및 본 명세서의 전체에서, 광파이버의 입력점과 파이버 커플러의 입력부는 동일한 구성인 것으로 표시하고 설명하도록 한다.
툴륨 레이저는 제1 가동 미러(131)가 제2 위치에 있어서 광경로를 간섭하지 않는다면, 광파이버의 입력점 또는 파이버 커플러(190)의 입력점으로 입사되도록 구성될 수 있다. 한편, 제1 가동 미러(131)가 제1 위치로 이동하여 툴륨 레이저의 광경로에 개재되면, 툴륨 레이저의 광경로는 홀뮴 발진기의 입력부(151)로 변경된다.
이때, 제1 가동 미러(131)에 의해 반사된 툴륨 레이저를 홀뮴 발진기의 입력부(151)까지 유도하기 위한 하나 이상의 렌즈, 미러, 컴바이너 등의 광학소자를 포함하는 입력빔 유도부가 추가될 수 있다.
툴륨 발진기(120)와 홀뮴 발진기(150)는 대체로 긴 외형을 가지므로, 각각의 출력부(122, 152)가 광파이버의 입력점을 향하도록 나란히 배치되는 것이, 레이저의 광경로를 최적화하고 전체 장치의 크기를 줄이고 장치 설계를 용이하게 하기 위한 목적에서 바람직하다. 따라서, 광 파이버(FC)의 입력점을 향하는 툴륨 레이저의 광경로를 필요한 방향으로 (예를 들면, 홀뮴 레이저의 입력부를 향하도록) 변경하기 위한 입력빔 유도부가 필요하게 된다. 입력빔 유도부는 툴륨 레이저 광경로를 최소한으로 하도록 설계되어야 할 것이고, 이때 사용되는 미러들은 툴륨 레이저에 대한 최대 반사 효율을 갖는 것이 바람직하다.
도 2에서는, 입력빔 유도부는 제1 가동 미러(131)에서 반사된 툴륨 레이저를 홀뮴 발진기의 입력부(151)를 향해 반사시키기 위한 3개의 미러(141, 142, 143)를 도시한다.
한편, 홀뮴 발진기(150)에서 출력되는 홀뮴 레이저의 광경로를 광파이버의 입력점 또는 파이버 커플러(190)의 입력점으로 유도하기 위한 출력빔 유도부와 이색성 미러(171)가 추가될 수 있다.
이색성 미러(171)는 툴륨 발진기의 출력부(122)와 광파이버(FC)의 입력점 사이, 특히, 제1 가동 미러(131)와 상기 입력점 사이에 배치될 수 있으며, 툴륨 레이저는 투과시키고 홀뮴 레이저는 반사시키는 특성을 가진다. 즉, 이색성 미러(171)는 상기 입력점의 전방에 툴륨 레이저의 광경로에 대해 소정의 각도로, 예를 들면 45°로 배치되어, 일측면인 투과면에 입사된 툴륨 레이저를 광파이버(FC)의 입력점을 향해 투과시키고, 투과면의 반대쪽면인 반사면에 입사된 홀뮴 레이저를 또한 광파이버(FC)의 입력점을 향해 반사시킨다.
이러한 구성의 본 실시예에서, 툴륨 레이저를 광파이버를 통해 출력하고자 하는 경우에는, 툴륨 레이저는 툴륨 발진기의 출력부(122)로부터 이색성 미러(171)를 투과하여 광파이버의 입력점에 도달하게 된다(제1 가동 미러는 제2 위치로 이동되었음). 한편, 홀뮴 레이저를 광파이버를 통해 출력하고자 하는 경우에는, 툴륨 레이저가 툴륨 레이저의 출력부(122)에서 출력되어 제1 가동 미러(131)에서 반사되고, 다시 입력빔 유도부의 3개의 미러(141, 142, 143)에서 반사되어 홀뮴 발진기의 입력부(151)에 도달하고, 홀뮴 발진기(150)에서 툴륨 레이저가 홀뮴 레이저로 변환되고, 홀뮴 발진기의 출력부(152)에서 출력된 홀뮴 레이저는 출력빔 유도부의 미러(161)에서 반사되고 이색성 미러(171)의 반사면에서 반사된 후 광파이버의 입력점에 도달하게 된다.
또한, 이러한 본 발명에 따른 장치에 의하면, 단지 레이저 광원을 동작시키는 것으로 광원의 제어는 종료될 수 있으며, 제1 가동 미러(131)의 위치를 제어함으로써 2가지 레이저 중 하나를 선택하여 사용할 수 있게 된다.
도 4는 상기한 바와 같은 구성 및 특징을 구비한, 본 발명에 따른 출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치의 예시를 보여준다. 레이저 출력 장치는, 각부의 기능을 제어하기 위한 제어 모듈을 구비할 수 있으며, 제어 모듈의 동작을 제어하기 위한 시청각적 인터페이스를 제공하는 디스플레이 장치를 구비할 수 있다. 디스플레이 장치는 예를 들면, 터치 스크린으로 구현될 수 있다.
레이저 출력 장치의 대부분은, 물탱크, 물펌프, 방열기를 포함하는 냉각 장치가 차지한다. 툴륨 레이저로 증폭될 레이저 기본광을 방출하는 레이저 광원과 이를 구동시키기 위한 전원 공급 장치(SMPS) 또한 큰 비중을 차지한다.
레이저 출력 모듈에는, 툴륨 발진기 및 홀뮴 발진기가 배치되고, 더불어서 제1 가동 미러, 입력빔 유도부, 출력빔 유도부, 이색성 미러 등의 구성부가 배치될 수 있다. 생성된 최종의 툴륨 레이저 또는 홀뮴 레이저는 파이버 커플러를 통해서 출력되며, 여기에 내시경에 삽입될 수 있는 광파이버가 결합될 수 있다.
이처럼, 하나의 레이저 광원을 사용하여 툴륨 레이저와 홀뮴 레이저를 향상된 효율로 출력할 수 있는 본 발명에 따른 레이저 출력 장치는, 장치의 대부분을 차지하는 냉각 장지와 전원 공급 장치, 그리고 광원을 하나씩만 구비해도 되므로, 장치의 크기가 작아지고 가격도 저렴해질뿐 아니라, 공간 배치, 설계 효율, 사용/정비 용이성, 이동성, 소비 전력이 향상될 수 있다.
한편, 상기 실시예에서, 이색성 미러(171)도 가동 미러로써 구성할 수 있다. 즉, 제1 가동 미러(131)가 제1 위치로 이동하는 경우에는 이색성 미러를 대체한 가동 미러(제2 가동 미러)(136)도 동시에 툴륨 레이저의 광경로에 개재시켜 홀뮴 레이저를 광파이버의 입력점으로 반사시키고, 제1 가동 미러(131)가 제2 위치로 이동하는 경우에는 상기 제2 가동 미러(136)도 동시에 툴륨 레이저의 광경로에서 제거될 수 있다. 이러한 구성에서, 툴륨 레이저를 사용하는 경우에는, 툴륨 레이저는 어떠한(또는, 불필요한) 광학소자를 투과/반사하지 않고 최적의 광경로로 광파이버의 입력점에 도달할 수 있으므로, 효율을 높일 수 있게 된다.
이러한 구조를 갖는, 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치의 구조를 도 5를 참조하여 설명한다.
본 도면은 도 2와 비교하여, 제1 가동 미러(131)와 제2 가동 미러(136)가 동시에 이동할 수 있다는 점을 제외하고는, 모두 동일하다. 도 2의 제1 가동 미러(131)와 이색성 미러(171)에 각각 대응하여, 제1 가동 미러(135)와 제2 가동 미러(136)가 도시되어 있다.
제1 가동 미러(135)는 툴륨 레이저를 전부 또는 거의 전부 반사시키는 특성을 갖는 미러로서, 툴륨 레이저의 광경로를 입력빔 유도부(141)를 향하도록 변경시킨다.
제2 가동 미러(136) 역시 툴륨 레이저를 전부 또는 거의 전부 반사시키는 특성을 갖는 미러로서, 출력빔 유도부(161)에서 나오는 홀뮴 레이저의 광경로를 광파이버의 입력점을 향하도록 변경시킨다.
제1 가동 미러(135)와 제2 가동 미러(136)는 동시에 조작될 수 있다. 이들은 동시에, 툴륨 레이저의 광경로에 개재되는 제1 위치로 이동하거나, 툴륨 레이저의 광경로에서 제거되는 제2 위치로 이동할 수 있다.
도 6은, 본 발명에서 사용할 수 있는 가동 미러의 다양한 구현예를 설명한다. (a)는 도 2에 도시된 바와 같이 플립 방식으로 이동하여 제1 위치 및 제2 위치로 유지될 수 있는 플립형 가동 미러(131)를 도시한다. 임의의 회전축을 중심으로 미러(131)가 플립하여, 툴륨 레이저의 광경로로 개재되거나 제거될 수 있다.
(b)는 슬라이드 방식으로 이동하여 제1 위치 및 제2 위치로 유지될 수 있는 슬라이드형 가동 미러(131)를 도시한다. 미러(131)의 평면 방향으로 또는 법선 방향 또는 임의의 방향으로 슬라이드하듯이 이동함으로써, 툴륨 레이저의 광경로로 개재되거나 제거될 수 있다.
(c)는 회전판을 회전시킴으로써 툴륨 레이저의 광경로에 미러를 삽입하거나 제거할 수 있는, 또한, 투과물(예를 들면, 렌즈 또는 통공)을 광경로에 삽입하거나 제거할 수 있는 회전판형 가동 미러를 도시한다. 회전판에는 미러(135)와 통공(139)이 형성될 수 있으며, 회전하는 각도를 제어함으로써, 툴륨 레이저의 광경로에 미러를 개재하여 툴륨 레이저를 반사시키거나, 툴륨 레이저의 광경로에 통공(139)을 개재하여 툴륨 레이저를 투과시킬 수 있다.
본 도면은 가동 미러의 다양한 방식을 개념적으로 설명하기 위한 것으로서, 가동 미러의 가동 방향, 배치 방향, 회전축 및 회전 방향이 임의로 설정되었고, 또한 레이저의 입사 방향도 임의로 설정하여 도시하고 있다. 하지만, 광경로를 변경할 수 있는 광학소자라면, 다른 다양한 가동 방식 및 형태를 갖는 가동 미러가 적용될 수 있음은 자명하다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 보여준 것에 불과하며, 본 발명의 보호 범위는 이하 특허청구범위에 의하여 해석되어야 마땅할 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것인 바, 본 발명과 균등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 특정 파장의 기본광을 출력하는 레이저 광원;
    상기 기본광을 입력받아 제1 파장의 툴륨 레이저로 변환하여 출력하는 툴륨 발진기;
    상기 툴륨 레이저를 입력받아 제2 파장의 홀뮴 레이저로 변환하여 출력하는 홀뮴 발진기;
    상기 툴륨 레이저 및 상기 홀뮴 레이저를 단일 광파이버의 단일 입력점으로 유도하도록 구성되되, 상기 툴륨 레이저 및 상기 홀뮴 레이저 중 임의의 하나를 선택하여 상기 입력점으로 유도할 수 있게 구성된 레이저 선택부;를 포함하는, 출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 선택부는,
    상기 툴륨 레이저와 상기 광파이버의 입력점 사이에 배치되되, 상기 툴륨 레이저의 광경로에 개재되는 제1 위치와 상기 툴륨 레이저의 광경로에서 제거되는 제2 위치 사이를 이동 가능도록 구성되어, 상기 제1 위치에서는 상기 툴륨 레이저의 전부를 굴절 또는 반사시켜 상기 툴륨 레이저의 광경로를 상기 홀뮴 발진기의 입력측으로 유도하고 상기 제2 위치에서는 상기 툴륨 레이저를 상기 광파이버의 입력점으로 유도하는 제1 가동 미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 툴륨 발진기에서 출력측에서 출력된 상기 툴륨 레이저의 광경로를 상기 홀뮴 발진기의 입력측으로 유도하기 위하여 적어도 하나의 광학소자를 포함하는 입력빔 유도부; 및
    상기 홀뮴 발진기의 출력측에서 출력된 상기 홀뮴 레이저의 광경로를 상기 레이저 선택부로 유도하기 위하여 적어도 하나의 광학소자를 포함하는 출력빔 유도부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 레이저 선택부는,
    상기 제1 가동 미러와 상기 광파이버의 입력점 사이에 배치되며, 상기 툴륨 레이저는 투과시키고 상기 홀뮴 레이저는 반사시키는 이색성 미러를 더 포함하고,
    상기 출력빔 유도부는 상기 홀뮴 레이저를 상기 이색성 미러의 반사면을 향해 유도하는 것을 특징으로 하는, 출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 레이저 선택부는,
    상기 제1 가동 미러와 상기 광파이버의 입력점 사이 더욱 상기 출력빔 유도부와 상기 광파이버의 입력점 사이에 배치되되, 상기 홀뮴 레이저의 광경로를 상기 광파이버의 입력점으로 유도하는 제1 위치와 상기 홀뮴 레이저의 광경로에서 제거되는 제2 위치 사이를 이동 가능도록 구성된 제2 가동 미러를 더 포함하고,
    상기 제1 가동 미러와 상기 제2 가동 미러는 동시에 조작되고,
    상기 출력빔 유도부는 상기 홀뮴 레이저를 상기 제2 가동 미러의 반사면을 향해 유도하는 것을 특징으로 하는, 출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 툴륨 발진기와 상기 홀뮴 발진기는, 외형의 길이 방향으로 평행하게 배치되고, 또한 각각의 출력측이 동일한 방향을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 출력향상된 툴륨 및 홀뮴 레이저 출력 장치.
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