WO2021162339A1 - 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법 및 다중 레이저 펄스 발진 장치 - Google Patents

다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법 및 다중 레이저 펄스 발진 장치 Download PDF

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맹찬호
서길성
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Definitions

  • the technical idea of the present invention relates to a laser generating method, and more particularly, to a multiple laser pulse generating method and a multiple laser pulse generating apparatus using multiple queue switching.
  • NDYAG laser, helium neon laser, and dye laser have been developed to show excellent effects in treating skin diseases.
  • the basic principle of such a laser is that targets such as water, melanin, and oxyhemoglobin have their own frequencies, and when irradiated with a laser of a similar frequency, a reaction occurs on a specific target.
  • targets such as water, melanin, and oxyhemoglobin have their own frequencies, and when irradiated with a laser of a similar frequency, a reaction occurs on a specific target.
  • This is the biggest feature of the laser that it can selectively treat the target, and it is related to the absorbance of each target, but the biggest difference is that normal light has many wavelengths, but laser always has only one fixed wavelength. Due to the difference in wavelength, various laser materials have their own specific wavelengths, and laser types can be divided into various types such as excimers, diodes, CO2, ND-YAG, and the like, depending on the medium.
  • lasers used for incisions, ulcers, tattoo removal, and disinfection in soft tissue surgical areas in general hospitals there are different types according to each application purpose. Looking at the times, ruby laser and argon laser were first tried for the treatment of nevus inflamed in 1963, and argon and carbon dioxide lasers began to be used in earnest in the treatment of vascular lesions, pigmented diseases and tumors from the mid-1970s. In the past, various lasers have been developed and are being used to treat various skin diseases that were impossible or difficult to treat in the past. Lasers currently used in the field of dermatology can be largely divided into lasers used to treat various skin tumors and scars, lasers for treating vascular diseases, and lasers for tattoo treatment.
  • the Q-switching laser is a representative technology for generating the most widely used short pulse width laser.
  • the Q-switching laser is a laser having a short pulse width of 5 nanoseconds to 15 nanoseconds and has a high pulse power. For example, if the pulse width is 10 nanoseconds and the output energy is 1J, the laser pulse power has a high power of 100 MW. Due to its high power, it may be limited to clinical use such as skin treatment.
  • a flash lamp In order to oscillate the Q-switching laser, a flash lamp is discharged, light energy generated from the flash lamp is injected into the laser medium, and the electrons in the laser medium are inverted to an excited state, thereby generating laser resonance. .
  • the width of the light energy generated from the flash lamp is about 250 microseconds ( ⁇ s), and electrons are continuously excited in the laser medium by the light energy generated during the pulse time.
  • the ND-YAG laser has a duration of about 230 ⁇ s in the excited state.
  • the Q-switch signal starts pumping and is injected with a delay of about 150 ⁇ s, and a laser with a short pulse width and high peak power is oscillated.
  • ND-YAG which is the laser medium, but do not contribute to the laser oscillation. That is, since optical energy is not used after the Q-switch signal is applied, unnecessary consumption of optical energy and electrical energy occurs.
  • the technical problem to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a method for oscillating multiple laser pulses using multiple queue switching capable of reducing the peak power of a laser and increasing energy efficiency.
  • a method for oscillating multiple laser pulses using multi-queue switching according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem includes the steps of: forming light energy of one period; excitation of electrons in a gain medium by the light energy; performing a first cue-switching during one period of the light energy; oscillating a first laser pulse from the excited electrons of the gain medium by the first Q-switching; performing a second cue-switching during one period of the light energy; and the second queue-switching method for multi-laser pulse oscillation using multi-queue switching according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem by switching, forming a light energy of one period; excitation of electrons in a gain medium by the light energy; performing a first cue-switching during one period of the light energy; oscillating a first laser pulse from the excited electrons of the gain medium by the first Q-switching; performing a second cue-switching during one period of the light energy;
  • the first Q-switching may have a delay time in the range of 80 ⁇ s to 150 ⁇ s immediately after the light energy is formed.
  • the second queue-switching may have a delay time in the range of 10 ⁇ s to 30 ⁇ s in the first queue-switching.
  • a delay time in the range of 10 ⁇ s to 30 ⁇ s passes and performing the third Q-switching; and oscillating a third laser pulse by the third Q-switching.
  • a delay time in the range of 10 ⁇ s to 30 ⁇ s passes and performing the fourth Q-switching; and oscillating a fourth laser pulse by the fourth Q-switching.
  • a delay time in the range of 10 ⁇ s to 30 ⁇ s passes and performing the fifth Q-switching; and oscillating a fifth laser pulse by the fifth Q-switching.
  • a delay time in the range of 10 ⁇ s to 30 ⁇ s passes and performing the sixth Q-switching; and oscillating a sixth laser pulse by the sixth Q-switching.
  • a delay time in the range of 10 ⁇ s to 30 ⁇ s passes and performing the 7th Q-switching; and oscillating a seventh laser pulse by the seventh Q-switching.
  • one period of the light energy may be in the range of 200 ⁇ s to 350 ⁇ s.
  • a multi-laser pulse oscillation apparatus using multi-queue switching includes a mirror, a wavelength unit, a Q-switching unit, a polarization unit, a gain medium unit, an output coupler unit, a first control unit, and a second control unit
  • a multi-laser pulse oscillation apparatus comprising: forming light energy of one period in the gain medium unit as the first control unit applies an electrical control signal; excitation of electrons in the gain medium of the gain medium by the light energy; performing first Q-switching by the Q-switching unit as the second control unit applies an electrical control signal during one cycle of the light energy; oscillating a first laser pulse by the first Q-switching; performing a second cue-switching by the cue-switching unit during one period of the light energy; and oscillating a second laser pulse by the second Q-switching.
  • the multi-laser pulse oscillation method using multi-queue switching can oscillate multiple laser pulses by performing multi-Q-switching during one period of light energy formed. Accordingly, it is possible to provide an effect of reducing the output of the laser pulse to a desired level. In addition, when performing one-time Q-switching, since a laser pulse may be oscillated using the energy of the excited electrons that are not used, an efficient laser oscillation effect may be provided.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a multiple laser pulse oscillation apparatus using multiple queue switching implementing a multiple laser pulse oscillation method using multiple queue switching according to the technical concept of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a multi-laser pulse oscillation method using multi-queue switching according to the technical concept of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing a result of performing a multi-laser pulse oscillation method using multi-queue switching according to an embodiment of the present invention.
  • the technical idea of the present invention is to reduce high laser oscillation peak power and maintain high output energy, for example, two or more times, for example, three times in one pulse period (for example, 230 ⁇ s to 330 ⁇ s).
  • the Q-switching laser By operating the abnormal Q-switch, the Q-switching laser generates laser pulses three or more times in one cycle.
  • the pulse period means one light emission period of the flash lamp in the pulse power circuit to discharge the flash lamp.
  • Multiple Q-switches are operated at regular intervals to inject multiple Q-switching pulses into the laser in one pumping cycle, so that the laser pulses can be plural, for example, three or more. As a result of this, it is possible to lower the peak power of the laser pulse.
  • the Q-switching signal delay time is adjusted, the excited electrons are efficiently used for laser oscillation, thereby increasing the overall laser oscillation output energy. Since the conventional high single pulse peak power can solve the problem and increase the total laser oscillation output energy, the possibility of clinical application can be expanded.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an apparatus 100 for oscillating multiple laser pulses using multi-queue switching that implements a method for oscillating multiple laser pulses using multi-queue switching according to the technical concept of the present invention.
  • the multi-laser pulse oscillation apparatus 100 includes a mirror 110 , a wavelength unit 120 , a Q-switching unit 130 , a polarization unit 140 , a gain medium unit 150 , and an output coupler unit. 160 , a first control unit 170 , and a second control unit 180 .
  • the mirror 110 , the wavelength unit 120 , the Q-switching unit 130 , the polarizer 140 , the gain medium unit 150 , and the output coupler unit 160 may be arranged in the above-described order.
  • the first control unit 170 may be connected to the gain medium unit 150 to apply an electrical signal.
  • the second control unit 180 may be connected to the Q-switching unit 130 to apply an electrical signal, and may further include a driving driver for the Q-switching unit, a high-voltage transformer, and the like.
  • the gain medium 150 may include a gain medium such as ND-YAG rod, YVO 4 alexandria, difference sapphire rod, and the like and a flash lamp.
  • the output coupler unit 160 may include a mirror.
  • Each of the wavelength unit 120 and the polarizer 140 may have a flat plate shape.
  • the laser pulse oscillated by the multi-laser pulse oscillation apparatus 100 may be generated in the following manner.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a multi-laser pulse oscillation method ( S100 ) using multi-queue switching according to the technical concept of the present invention.
  • the multi-laser pulse oscillation method using multi-queue switching includes: forming one period of light energy (S110); excitation of electrons in the gain medium by the light energy (S120); performing a first cue-switching during one period of the light energy (S130); oscillating a first laser pulse from the excited electrons of the gain medium by the first Q-switching (S140); performing a second cue-switching during one cycle of the light energy (S150); and oscillating a second laser pulse from the excited electrons of the gain medium by the second Q-switching (S160).
  • the first control unit 170 applies an electrical control signal to the gain medium unit 150 , the voltage and current of the flash lamp included in the gain medium unit 150 are increased. is reduced to form one period of light energy. Electrons of the gain medium included in the gain medium 150 are excited by the light energy.
  • a laser beam is generated from the electrons excited in the gain medium.
  • the pulse oscillates to the outside.
  • the laser pulse may be reflected in the opposite direction by the mirror 110 and oscillate to the outside through the wavelength unit 120 , the polarizer 140 , and the output coupler unit 160 . If necessary, the laser pulse may be reflected in the opposite direction by the output coupler unit 160 . Also, if necessary, the laser pulse may be polarized by the polarizer 140 and oscillate by changing a direction.
  • the second control unit 180 applies an electrical control signal to the Q-switching unit 130 to perform the second Q-switching, a laser beam is generated from the electrons excited in the gain medium.
  • the pulse oscillates to the outside again.
  • the technical idea of the present invention is that the first Q-switching and the second Q-switching are performed during one cycle of the light energy.
  • the third to seventh Q-switching may be performed in the same manner during one cycle of the light energy to oscillate the third to seventh laser pulses, respectively, where the seventh Q- Switching is exemplary, and performing queue-switching n times is included in the technical idea of the present invention.
  • the first Q-switching may have a delay time in the range of 80 ⁇ s to 150 ⁇ s immediately after the light energy is formed.
  • the second Q-switching may have a delay time in the range of 10 ⁇ s to 30 ⁇ s in the first Q-switching.
  • performing a fourth Q-switching after a delay time in the range of 10 ⁇ s to 30 ⁇ s passes after performing the third Q-switching during one cycle of the light energy; and oscillating a fourth laser pulse by the fourth Q-switching.
  • performing a fifth Q-switching after a delay time in the range of 10 ⁇ s to 30 ⁇ s passes after performing the fourth Q-switching during one cycle of the light energy; and oscillating a fifth laser pulse by the fifth Q-switching.
  • performing a seventh cue-switching after a delay time in the range of 10 ⁇ s to 30 ⁇ s passes after performing the sixth Q-switching during one cycle of the light energy; and oscillating a seventh laser pulse by the seventh Q-switching.
  • the delay time is exemplary and may have various time ranges.
  • the light energy may be repeatedly formed as the next one cycle, and cue-switching may also be repeatedly performed in the same manner.
  • FIG. 3 is a graph showing a result of performing a multi-laser pulse oscillation method using multi-queue switching according to an embodiment of the present invention.
  • the voltage and current of the flash lamp are shown, and it can be seen that one cycle of light energy is provided.
  • One period of the light energy ranges from about 200 ⁇ s to about 350 ⁇ s.
  • 8 Q-switch pulse peaks representing 8 Q-switchings during one period of light energy and 8 laser pulse output peaks oscillated accordingly are shown.
  • a delay time from the time when the voltage of the flash lamp is applied to the first cue-switch pulse may be in the range of about 80 ⁇ s to about 150 ⁇ s. Based on the first cue-switch pulse, the delay time until the second cue-switch pulse may range from about 15 ⁇ s to about 35 ⁇ s. Based on the first cue-switch pulse, the delay time until the third cue-switch pulse may be in the range of about 40 ⁇ s to about 60 ⁇ s. Based on the first cue-switch pulse, the delay time until the fourth cue-switch pulse may be in the range of about 65 ⁇ s to about 85 ⁇ s.
  • the delay time until the fifth cue-switch pulse may range from about 90 ⁇ s to about 110 ⁇ s. Based on the first cue-switch pulse, the delay time until the sixth cue-switch pulse may be in a range of about 115 ⁇ s to about 135 ⁇ s. Based on the first cue-switch pulse, the delay time until the seventh cue-switch pulse may range from about 140 ⁇ s to about 160 ⁇ s.
  • the electrons are accumulated in an excited state in the gain medium until the Q-switch is turned on, and when the Q-switch is turned on, the electrons in the excited state accumulated up to this point are stimulated to resonate and oscillate the laser. .
  • the electrons are continuously changed to an excited state by receiving light energy continuously even after the Q-switch delay time, but since Q-switching is no longer performed within one cycle of light energy, the above Laser oscillation is no longer within one cycle of light energy.
  • the multi-laser pulse oscillation method using multi-queue switching since Q-switching is continuously performed in one period of light energy, it is possible to have an efficiency of using more excited electrons, As the laser continuously oscillates, the pumping energy of the laser can be effectively used as a whole.
  • the technical spirit of the present invention can be applied to a laser generating method.

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Abstract

본 발명은, 레이저의 피크 파워를 감소시키고, 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법은, 일 주기의 광에너지를 형성하는 단계; 상기 광에너지에 의하여 이득 매질의 전자가 여기되는 단계; 상기 광에너지의 일 주기 동안, 제1 큐-스위칭을 수행하는 단계; 상기 제1 큐-스위칭에 의하여 제1 레이저 펄스를 발진하는 단계; 상기 광에너지의 일 주기 동안에, 제2 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및 상기 제2 큐-스위칭에 의하여 제2 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 포함한다.

Description

다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법 및 다중 레이저 펄스 발진 장치
본 발명의 기술적 사상은 레이저 발생 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발생 방법 및 다중 레이저 펄스 발생 장치에 관한 것이다.
1960년 최초의 레이저인 루비 레이저를 개발하여 의학계에 선보인 이래 엔디야그 레이저, 헬륨네온 레이저 및 색소레이저가 개발되어 피부질환 치료에 탁월한 효과를 보여왔다. 이러한 레이저의 기본원리는 물, 멜라닌, 옥시헤모글로빈 등의 타겟에 고유의 진동수가 있어 비슷한 진동수의 레이저를 조사하게 되면 특정 타겟에 반응을 일으키게 되는 원리이다. 이것은 타겟을 선택적으로 시술할 수 있다는 레이저의 가장 큰 특징이며, 각 타켓의 흡수도와 관련이 있지만 가장 큰 차이점은 일반광선은 많은 파장을 갖지만 레이저는 언제나 정해진 단 하나의 파장을 갖는다는 것이다. 이러한 파장의 차이점으로 인해 각종 레이저 물질은 자체의 특정한 파장을 가지며 레이저의 종류는 매질에 따라 엑시머, 다이오드, CO2, ND-YAG 등의 여러 종류들로 나뉠 수 있다.
레이저의 적용 범위에 따라 일반 병원에서는 연조직의 수술부위에 절개, 궤양, 문신제거, 소독 등을 위해 사용하는 레이저가 있으며 치과에서는 충치제거, 임프란트 수술, 과민반응 등을 위해 경조직과 연조직에 사용하는 레이저 등 각각의 적용 용도에 따라 종류도 다양하다. 시대에 따라 살펴보면, 1963년에 화염상 모반의 치료에 루비 레이저 및 아르곤 레이저가 최초로 시도되었고, 1970년대 중반부터는 혈관성 병변, 색소성 질환 및 종양 치료에 아르곤과 이산화탄소 레이저가 본격적으로 이용되기 시작하였으며 최근에는 다양한 레이저가 개발되어 과거에 치료가 불가능하였거나 어려웠던 여러 가지 피부질환 치료에 이용되고 있다. 현재 피부과 영역에서 사용되고 있는 레이저는 크게 각종 피부 종양, 흉터 등의 치료에 사용되는 레이저, 혈관 질환 치료용 레이저, 그리고 문신 치료용 레이저로 크게 나뉠 수 있으며, 최근 피부 노화 및 피부 재생에 대한 관심이 증대됨에 따라 혈관 병변 및 색소 침착 병변, 제모의 목적으로 일반적으로 많이 사용해 왔던 기존 레이저 장비의 기능이 피부 리프팅, 탄력 및 재생 기능까지 수요가 증대됨에 따라 폭넓게 확대되어가는 추세이다.
큐-스위칭(Q-switching) 레이저는 가장 광범위하게 이용되는 짧은 펄스폭 레이저를 발생하는 대표적인 기술이다. 큐-스위칭 레이저는 5 나노초 내지 15 나노초의 짧은 펄스폭을 가지는 레이저로서 높은 펄스 파워를 가진다. 예를 들어 10 나노초의 펄스폭을 가지고 출력 에너지가 1J 인 경우에는 레이저 펄스 파워는 100 MW의 높은 파워를 갖는다. 높은 파워에 의하여 피부치료와 같은 임상에 사용되기에는 제한이 있을 수 있다.
상기 큐-스위칭 레이저를 발진하기 위하여 플래쉬 램프를 방전을 하여 플레시 램프에서 발생한 광에너지를 레이저 매질에 주입하고, 상기 레이저 매질에서 전자를 여기 상태로 밀도 반전을 일으키게 되고, 이에 따라 레이저 공진이 발생된다. 상기 플래쉬 램프에서 발생되는 광에너지의 폭이 약 250 마이크로초(μs)로서 상기 펄스 시간에 발생되는 광에너지에 의하여 지속적으로 레이저 매질에서 전자를 여기시키게 된다.
ND-YAG 레이저는 여기 상태에서 약 230 μs 정도의 지속 시간을 가진다. 큐-스위치 신호는 처음 펌핑을 시작하고 약 150 μs 지연되어 주입이 되고, 짧은 펄스 폭을 가지고 높은 피크 파워를 갖는 레이저가 발진이 된다. 여기서 레이저가 발진된 후에도 플래쉬 램프에서 지속적으로 광 에너지가 주입이 되므로, 레이저 매질인 ND-YAG에서 전자가 계속 여기되지만, 상기 레이저 발진에 기여하지는 못하게 된다. 즉, 큐-스위치 신호를 인가한 이후에는 광 에너지가 사용되지 못하게 되므로, 광에너지 및 전기에너지의 불필요한 소비가 발생하게 된다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 레이저의 피크 파워를 감소시키고, 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법은, 일 주기의 광에너지를 형성하는 단계; 상기 광에너지에 의하여 이득 매질의 전자가 여기되는 단계; 상기 광에너지의 일 주기 동안, 제1 큐-스위칭을 수행하는 단계; 상기 제1 큐-스위칭에 의하여 상기 이득 매질의 여기된 상기 전자로부터 제1 레이저 펄스를 발진하는 단계; 상기 광에너지의 일 주기 동안에, 제2 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및 상기 제2 큐-스위칭에 의하상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법은, 일 주기의 광에너지를 형성하는 단계; 상기 광에너지에 의하여 이득 매질의 전자가 여기되는 단계; 상기 광에너지의 일 주기 동안, 제1 큐-스위칭을 수행하는 단계; 상기 제1 큐-스위칭에 의하여 상기 이득 매질의 여기된 상기 전자로부터 제1 레이저 펄스를 발진하는 단계; 상기 광에너지의 일 주기 동안에, 제2 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및 상기 제2 큐-스위칭에 의하여 상기 이득 매질의 여기된 상기 전자로부터 제2 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 제1 큐-스위칭은 상기 광에너지를 형성한 직후에서 80 μs 내지 150 μs 범위의 지연시간을 가질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 제2 큐-스위칭은 상기 제1 큐-스위칭에서 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간을 가질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 광에너지의 일 주기 동안에, 상기 제2 큐-스위칭을 수행한 후에 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간이 지나고 제3 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및 상기 제3 큐-스위칭에 의하여 제3 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 광에너지의 일 주기 동안에, 상기 제3 큐-스위칭을 수행한 후에 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간이 지나고 제4 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및 상기 제4 큐-스위칭에 의하여 제4 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 광에너지의 일 주기 동안에, 상기 제4 큐-스위칭을 수행한 후에 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간이 지나고 제5 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및 상기 제5 큐-스위칭에 의하여 제5 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 광에너지의 일 주기 동안에, 상기 제5 큐-스위칭을 수행한 후에 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간이 지나고 제6 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및 상기 제6 큐-스위칭에 의하여 제6 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 광에너지의 일 주기 동안에, 상기 제6 큐-스위칭을 수행한 후에 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간이 지나고 제7 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및 상기 제7 큐-스위칭에 의하여 제7 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 광에너지의 일 주기는 200 μs 내지 350 μs 범위일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 장치는, 거울, 파장부, 큐-스위칭부, 편광부, 이득 매질부, 출력 커플러부, 제1 제어부, 및 제2 제어부를 포함하는, 다중 레이저 펄스 발진 장치로서, 상기 제1 제어부가 전기적 제어 신호를 인가함에 따라 상기 이득 매질부에서 일 주기의 광에너지를 형성하는 단계; 상기 광에너지에 의하여 상기 이득 매질부의 이득 매질의 전자가 여기되는 단계; 상기 광에너지의 일 주기 동안, 상기 제2 제어부가 전기적 제어 신호를 인가함에 따라 상기 큐-스위칭부에서 제1 큐-스위칭을 수행하는 단계; 상기 제1 큐-스위칭에 의하여 제1 레이저 펄스를 발진하는 단계; 상기 광에너지의 일 주기 동안에, 상기 큐-스위칭부에서 제2 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및 상기 제2 큐-스위칭에 의하여 제2 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 수행한다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법은 형성된 일 주기의 광에너지 동안에 다중 큐스위칭을 수행하여 다중 레이저 펄스를 발진할 수 있다. 따라서, 레이저 펄스의 출력을 원하는 수준으로 감소시키는 효과를 제공할 수 있다. 또한, 일회의 큐-스위칭을 수행하는 경우에 사용되지 않는 여기된 전자의 에너지를 이용하여 레이저 펄스를 발진할 수 있으므로, 효율적인 레이저 발진 효과를 제공할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법을 구현하는 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 장치를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법을 수행한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 발명의 기술적 사상은 높은 레이저 발진 피크 파워를 감소시키고, 높은 출력 에너지를 유지하기 위하여, 한번의 펄스 주기(예를 들어 230 μs 내지 330 μs)에서 예를 들어 2회 이상, 예를 들어 3회 이상 큐-스위치를 작동시켜서 큐-스위칭 레이저를 한 주기에서 3회 이상 레이저 펄스를 생성하는 것이다. 여기서, 펄스 주기란 플래쉬 램프를 방전하기 위하여 펄스 파워 회로에서 한 번의 플래쉬 램프의 광 방출 주기를 의미한다. 다중의 큐-스위치를 일정한 간격을 두고 스위치를 작동하여 상기 레이저를 한번의 펌핑 주기에 다중의 큐-스위칭 펄스를 주입하므로 상기 레이저 펄스를 복수로, 예를 들어 3개 이상으로 만들 수 있다. 이러한 결과로서, 상기 레이저 펄스의 피크 파워를 낮출 수 있다. 또한, 큐-스위칭 신호 지연 시간을 조절하므로, 여기된 전자를 레이저 발진에 효율적으로 사용하게 되어 전체적인 레이저 발진 출력 에너지를 증가시킬 수 있다. 종래의 높은 싱글 펄스 피크 파워에 의한 문제점을 해결할 수 있고, 총 레이저 발진 출력 에너지를 증가시키므로, 임상 적용의 가능성을 확대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법을 구현하는 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 장치(100)를 도시하는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 다중 레이저 펄스 발진 장치(100)는 거울(110), 파장부(120), 큐-스위칭부(130), 편광부(140), 이득 매질부(150), 출력 커플러부(160), 제1 제어부(170), 및 제2 제어부(180)를 포함한다. 거울(110), 파장부(120), 큐-스위칭부(130), 편광부(140), 이득 매질부(150), 및 출력 커플러부(160)는 상술한 순서로 배치될 수 있다.
제1 제어부(170)는 이득 매질부(150)와 연결되어 전기적 신호를 인가할 수 있다. 제2 제어부(180)는 큐-스위칭부(130)와 연결되어 전기적 신호를 인가할 수 있고, 큐-스위칭부용 구동 드라이버 및 고압용 트랜스 등을 더 포함할 수 있다. 이득 매질부(150)는 ND-YAG 라드, YVO4 알랙산드리아, 차이 사파이어 라드 등과 같은 이득 매질과 플래쉬 램프를 포함할 수 있다. 출력 커플러부(160)는 거울을 포함할 수 있다. 파장부(120) 및 편광부(140)는 각각 평판 형상을 가질 수 있다.
다중 레이저 펄스 발진 장치(100)에 의하여 발진하는 레이저 펄스는 하기와 같은 방식으로 발생할 수 있다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법(S100)은, 일 주기의 광에너지를 형성하는 단계(S110); 상기 광에너지에 의하여 이득 매질의 전자가 여기되는 단계(S120); 상기 광에너지의 일 주기 동안, 제1 큐-스위칭을 수행하는 단계(S130); 상기 제1 큐-스위칭에 의하여 상기 이득 매질의 여기된 상기 전자로부터 제1 레이저 펄스를 발진하는 단계(S140); 상기 광에너지의 일 주기 동안에, 제2 큐-스위칭을 수행하는 단계(S150); 및 상기 제2 큐-스위칭에 의하여 상기 이득 매질의 여기된 상기 전자로부터 제2 레이저 펄스를 발진하는 단계(S160);를 포함한다.
도 1과 관련하여 구체적으로 기재하면, 제1 제어부(170)가 이득 매질부(150)에 전기적 제어 신호를 인가하면, 이득 매질부(150)에 포함된 상기 플래쉬 램프에 전압과 전류가 증가되었다가 감소되면서 일 주기(one period)의 광에너지를 형성한다. 상기 광에너지에 의하여 이득 매질부(150)에 포함된 상기 이득 매질의 전자가 여기된다.
이어서, 상기 광에너지의 일 주기 동안, 제2 제어부(180)가 큐-스위칭부(130)에 전기적 제어 신호를 인가하여 제1 큐-스위칭을 수행하면, 상기 이득 매질에 여기된 상기 전자로부터 레이저 펄스가 외부로 발진한다. 상기 레이저 펄스는 거울(110)에 의하여 반대방향으로 반사되고, 파장부(120), 편광부(140), 및 출력 커플러부(160)를 통과하여 외부로 발진할 수 있다. 필요한 경우, 상기 레이저 펄스는 출력 커플러부(160)에 의하여 반대 방향으로 반사될 수 있다. 또한, 필요한 경우, 상기 레이저 펄스는 편광부(140)에 의하여 편광될 수 있고, 방향을 변경하여 발진할 수 있다.
이어서, 상기 광에너지의 일 주기 동안, 제2 제어부(180)가 큐-스위칭부(130)에 전기적 제어 신호를 인가하여 제2 큐-스위칭을 수행하면, 상기 이득 매질에 여기된 상기 전자로부터 레이저 펄스가 다시 외부로 발진한다. 여기에서, 본 발명의 기술적 사상은 상기 제1 큐-스위칭과 제2 큐-스위칭은 상기 광에너지의 일 주기 동안에 수행되는 것이다.
이어서, 동일한 방식으로 상기 광에너지의 일 주기 동안 제3 큐-스위칭 내지 제7 큐-스위칭을 수행하여, 제3 레이저 펄스 내지 제7 레이저 펄스를 각각 발진할 수 있다, 여기에서, 제7 큐-스위칭은 예시적이며, 임의의 n 회의 큐-스위칭을 수행하는 것이 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
상기 제1 큐-스위칭은 상기 광에너지를 형성한 직후에서 80 μs 내지 150 μs 범위의 지연시간을 가질 수 있다.
상기 제2 큐-스위칭은 상기 제1 큐-스위칭에서 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간을 가질 수 있다.
상기 광에너지의 일 주기 동안에, 상기 제2 큐-스위칭을 수행한 후에 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간이 지나고 제3 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및 상기 제3 큐-스위칭에 의하여 제3 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 광에너지의 일 주기 동안에, 상기 제3 큐-스위칭을 수행한 후에 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간이 지나고 제4 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및 상기 제4 큐-스위칭에 의하여 제4 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 더 포함할 수 있다
상기 광에너지의 일 주기 동안에, 상기 제4 큐-스위칭을 수행한 후에 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간이 지나고 제5 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및 상기 제5 큐-스위칭에 의하여 제5 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 광에너지의 일 주기 동안에, 상기 제5 큐-스위칭을 수행한 후에 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간이 지나고 제6 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및 상기 제6 큐-스위칭에 의하여 제6 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 광에너지의 일 주기 동안에, 상기 제6 큐-스위칭을 수행한 후에 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간이 지나고 제7 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및 상기 제7 큐-스위칭에 의하여 제7 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 지연시간은 예시적이며 다양한 시간 범위를 가질 수 있다.
또한, 상술한 방식에 따라 상기 광에너지는 다음 일 주기로서 반복하여 형성될 수 있고, 큐-스위칭 또한 동일한 방식으로 반복하여 수행될 수 있다.,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법을 수행한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 플래쉬 램프의 전압과 전류가 나타내 있고, 일 주기의 광에너지를 제공함을 알 수 있다. 상기 광에너지의 일 주기는 약 200 μs 내지 약 350 μs 범위이다. 상기 일 주기의 광에너지 동안에 8회의 큐-스위칭을 나타내는 8개의 큐-스위치 펄스 피크들과 이에 따라 발진한 8 개의 레이저 펄스 출력 피크들이 나타나 있다.
상기 플래쉬 램프의 전압이 인가된 시점으로부터 첫 번째 큐-스위치 펄스까지의 지연 시간은 약 80 μs 내지 약 150 μs 범위일 수 있다. 상기 첫 번째 큐-스위치 펄스를 기준으로, 두 번째 큐-스위치 펄스까지의 지연 시간은 약 15 μs 내지 약 35 μs 범위일 수 있다. 상기 첫 번째 큐-스위치 펄스를 기준으로, 세 번째 큐-스위치 펄스까지의 지연 시간은 약 40 μs 내지 약 60 μs 범위일 수 있다. 상기 첫 번째 큐-스위치 펄스를 기준으로, 네 번째 큐-스위치 펄스까지의 지연 시간은 약 65 μs 내지 약 85 μs 범위일 수 있다. 상기 첫 번째 큐-스위치 펄스를 기준으로, 다섯 번째 큐-스위치 펄스까지의 지연 시간은 약 90 μs 내지 약 110 μs 범위일 수 있다. 상기 첫 번째 큐-스위치 펄스를 기준으로, 여섯 번째 큐-스위치 펄스까지의 지연 시간은 약 115 μs 내지 약 135 μs 범위일 수 있다. 상기 첫 번째 큐-스위치 펄스를 기준으로, 일곱 번째 큐-스위치 펄스까지의 지연 시간은 약 140 μs 내지 약 160 μs 범위일 수 있다.
종래의 큐-스위칭 레이저는 큐-스위치를 켤 때까지 이득 매질에서 전자가 여기상태로 축적되고, 큐-스위치가 켜지면 이때까지 축적된 여기 상태의 전자가 자극되어 공진을 하며 레이저를 발진하게 된다. 한번의 큐-스위치를 수행하는 경우에는 큐-스위치 지연 시간 이후에도 지속적으로 광에너지를 받아 전자가 여기 상태로 계속적으로 변하지만, 일 주기의 광에너지 내에서 큐-스위칭을 더 이상 수행하지 않으므로, 상기 일 주기의 광에너지 내에서는 더 이상 레이저 발진을 하지 않는다.
그러나, 본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법에 의하면, 일 주기의 광에너지에서 연속적으로 큐-스위칭을 수행하므로, 여기된 전자들을 더 사용하는 효율성을 가질 수 있고, 레이저가 지속적으로 발진하게 되어 전체적으로 레이저의 펌핑 에너지를 효과적으로 사용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 레이저 발생 방법에 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 일 주기의 광에너지를 형성하는 단계;
    상기 광에너지에 의하여 이득 매질의 전자가 여기되는 단계;
    상기 광에너지의 일 주기 동안, 제1 큐-스위칭을 수행하는 단계;
    상기 제1 큐-스위칭에 의하여 상기 이득 매질의 여기된 상기 전자로부터 제1 레이저 펄스를 발진하는 단계;
    상기 광에너지의 일 주기 동안에, 제2 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및
    상기 제2 큐-스위칭에 의하여 상기 이득 매질의 여기된 상기 전자로부터 제2 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 포함하는, 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 큐-스위칭은 상기 광에너지를 형성한 직후에서 80 μs 내지 150 μs 범위의 지연시간을 가지는, 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 큐-스위칭은 상기 제1 큐-스위칭에서 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간을 가지는, 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광에너지의 일 주기 동안에, 상기 제2 큐-스위칭을 수행한 후에 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간이 지나고 제3 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및
    상기 제3 큐-스위칭에 의하여 제3 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 더 포함하는, 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 광에너지의 일 주기 동안에, 상기 제3 큐-스위칭을 수행한 후에 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간이 지나고 제4 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및
    상기 제4 큐-스위칭에 의하여 제4 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 더 포함하는, 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광에너지의 일 주기 동안에, 상기 제4 큐-스위칭을 수행한 후에 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간이 지나고 제5 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및
    상기 제5 큐-스위칭에 의하여 제5 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 더 포함하는, 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광에너지의 일 주기 동안에, 상기 제5 큐-스위칭을 수행한 후에 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간이 지나고 제6 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및
    상기 제6 큐-스위칭에 의하여 제6 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 더 포함하는, 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광에너지의 일 주기 동안에, 상기 제6 큐-스위칭을 수행한 후에 10 μs 내지 30 μs 범위의 지연시간이 지나고 제7 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및
    상기 제7 큐-스위칭에 의하여 제7 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 더 포함하는, 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광에너지의 일 주기는 200 μs 내지 350 μs 범위인, 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법.
  10. 거울, 파장부, 큐-스위칭부, 편광부, 이득 매질부, 출력 커플러부, 제1 제어부, 및 제2 제어부를 포함하는, 다중 레이저 펄스 발진 장치로서,
    상기 제1 제어부가 전기적 제어 신호를 인가함에 따라 상기 이득 매질부에서 일 주기의 광에너지를 형성하는 단계;
    상기 광에너지에 의하여 상기 이득 매질부의 이득 매질의 전자가 여기되는 단계;
    상기 광에너지의 일 주기 동안, 상기 제2 제어부가 전기적 제어 신호를 인가함에 따라 상기 큐-스위칭부에서 제1 큐-스위칭을 수행하는 단계;
    상기 제1 큐-스위칭에 의하여 제1 레이저 펄스를 발진하는 단계;
    상기 광에너지의 일 주기 동안에, 상기 큐-스위칭부에서 제2 큐-스위칭을 수행하는 단계; 및
    상기 제2 큐-스위칭에 의하여 제2 레이저 펄스를 발진하는 단계;를 수행하는, 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 장치.
PCT/KR2021/001463 2020-02-13 2021-02-04 다중 큐 스위칭을 이용한 다중 레이저 펄스 발진 방법 및 다중 레이저 펄스 발진 장치 WO2021162339A1 (ko)

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