DE10127900A1 - Lichterzeugungsvorrichtung und Laservorrichtung, die die Lichterzeugungsvorrichtung verwendet - Google Patents

Abstract

Die Erfindung stellt eine kompakte, hocheffiziente Lichterzeugungsvorrichtung mit geringem Rauschen und ein entsprechendes Bestrahlungsverfahren zur Verwendung in medizinischen Anwendungen bereit. Ein Laserkopf (106) mit fundamentaler, harmonischer Schwingung besteht aus einer Oszillationsmoduslaserdiode (QCW-LD) mit quasi-kontinuierlicher Welle (101), einem Laserkristall (103), einem rückwärtigen Spiegel (104) und einem Ausgangsspiegel (105). Der QCW-LD wird angesteuert durch eine LD-Energiequelle (102), die die Impulswellenform hinsichtlich der Zeit modulieren kann. Ein Strahleinstellabschnitt (108) umfasst eine Wellenplatte, einen Polarisierer, eine Linse und einen Isolator. Ein Wellenlängenwandlungsabschnitt (112) ist ein optischer, parametrischer Oszillator (OPO), der ein nicht-lineares, optisches Kristall (109), einen OPO-Eingangsspiegel und einen OPO-Ausgangsspiegel (111) umfasst.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft auf eine Wellenlängenwandlungs-Lichterzeugungsvorrichtung und ein Beleuchtungsverfahren dafür, verwendbar in medizinischen Anwendungen, Präzisionsbearbeitung und verschiedenen Arten von Messungen.

Als Beispiele von Lasern, die im Stand der Technik in medizinischen Fällen verwendet wurden, gibt es durch Entladung gepumpte Kohlendioxidgas (CO₂-Laser, durch Blitzlichtlampen gepumpte-Neodymium jonendotierte Yttriumaluminiumgarnet (Nd : YAG)Laser und durch Blitzlichtlampen gepumpte Erbium ionendotierte Yttriumaluminiumgarnet (Er : YAG) Laser.

Da CO₂-Laser bei 9-10 µm oszillieren und einen Absorptionskoeffizienten aufweisen, der für weiches organisches Gewebe gut geeignet ist, werden sie oft als Laserskalpelle verwendet. Sie haben jedoch die Eigenschaft, verkohlte Schichten zu erzeugen, wenn weiches Gewebe geschnitten wird, was zur Folge hat, dass die behandelten Bereiche möglicherweise nur langsam heilen. Zusätzlich, da das Lasermedium ein CO₂-Gas ist, ist die Laser-Energie, die pro Volumeneinheit extrahiert werden kann, gering, so dass der Laserkopf ziemlich groß ausgeführt werden muss, wodurch bewirkt wird, dass die CO₂-Laserbehandlungsvorrichtungen selbst groß sind.

Auf der anderen Seite weisen Nd : YAG-Laser eine Oszillationswellenlänge von 1 µm auf, so dass deren Absorptionskoeffizient für organisches Gewebe extrem klein ist, und sie werden hauptsächlich für eine Koagulierung von weichem Gewebe verwendet. Wenn für ein Schneiden verwendet, wird ein spezielles klingenförmiges optisches Element, bekannt als Kontaktspitze, verwendet, um den Laserstrahl in Wärme umzuwandeln, entlang der Grenze zwischen dem weichen Gewebe und der Kontaktspitze, wenn der Chirurg mechanischen Einfluss auf die Kontaktspitze ausübt. Aus diesem Grund wird die Proteinkoagulierungsschicht und thermisch beschädigte Schicht an der Schneideoberfläche dick.

Aus diesem Grunde wurde der Erbium dotierte YAG (Er : YAG) Laser entwickelt, der eine Oszillationswellenlänge von 3 µm aufweist, bei der der Absorptionskoeffizient mit Bezug auf organisches, weiches Gewebe am höchsten ist, und der ein präzises Schneiden von hartem Gewebe wie auch weichem Gewebe ermöglicht, ohne thermische Beschädigung an den Bereichen um die exponierten Abschnitte hinaus zu bewirken. Da jedoch das Anregungsverfahren für den Er : YAG Laser als solches, wie es momentan auf dem Markt verfügbar ist, ausschließlich eine Blitzlichtlampenanregung ist, ist der Anteil des 3 µm Laserlichts, der durch die Photonenenergieebene, die durch Blitzlichtlampen ausgegeben wird, erzeugt werden kann, ziemlich klein, genau genommen so klein, dass die elektrophotonische Wandlungseffizienz, d. h. das Verhältnis des Laserausgangs zur durch die Vorrichtung insgesamt verbrauchten Leistung, extrem gering bei weniger als 1% ist.

Zusätzlich wird, da eine Blitzlichtlampenanregung bewirkt, dass durch Anlegen mehrerer Kilovolt Elektrizität die Lampe plötzliche Lichtbursts (Stöße) entsendet, elektromagnetisches Rauschen erzeugt, was die Gefahr erhöht, dass die elektronischen Vorrichtungen, die für eine chirurgische Operation verwendet werden oder innerhalb des Körpers des Patienten implantiert werden, eine Fehlfunktion aufweisen.

Bei der Suche nach einem Verfahren zum Erzeugen eines Lichts mit hoher Intensität bei einer Oszillationswellenlänge von 3 µm hat sich die Forschung auf die Entwicklung eines gepumpten Er : YAG Halbleiterlasers (LD) ausgerichtet. Während die Betriebsmoden kontinuierliche Wellen- und Impulstypen umfassen, war in beiden Fällen das Problem einer innerhalb des Er : YAG Kristalls erzeugten Wärme ein Hindernis, hohe Ausgänge zu erzielen, so dass die höchste bestätigte Ausgangsleistung für einen 3 µm Laser 1,2 W war.

Zusätzlich wurde als eine andere Technologieform zur 3 µm Lichterzeugung ein Verfahren mit einer Wellenlängenumwandlung des Ausgangs eines LD-gepumpten Nd : YAG Lasers mit einer Oszillationswellenlänge von 1 µm bis 3 µm Licht mittels eines nicht-linearen optischen Kristalls untersucht. Gemäß W.R. Rosenberg et al., Optics Letters Vol. 21, Nr. 17, Seite 1336, 1996, wurde bei einem kontinuierlichen Wellen(CW)-Modus bei einer Wellenlänge von 3,25 µm ein Ausgang von 3,55 W erzielt. Weiter beschreibt L.E. Myers in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 33, Nr. 10, Seite 1663, 1997, dass der fundamentale harmonische Strahl in dem Ausgang eines LD- gepumpten Nd : YAG Lasers, der bei einer Wiederholungsfrequenz von mindestens 30 kaz Q-geschaltet war, auf 3 bis 4 µm wellenlängen-gewandelt wurde, wodurch ein Ausgang von mindestens 3 W in diesem Wellenlängenband erzielt wurde.

Der CW-Modus und der Q-geschaltete Impulsmodus sind problematisch bei Gewebeentfernungsbehandlungen harten Gewebes (speziell Dentin). In dem CW-Modus ist die Energiedichte, die angelegt wird, nicht geeignet, um Zahnschmelz und Dentin, die Arten von hartem Gewebe sind, zu zersetzen, jedoch werden die bestrahlten Bereiche thermisch beschädigt. Darüber hinaus ist im Q-geschalteten Modus die Impulsenergie klein, jedoch die Pulsweite kurz, was eine hohe Spitzenleistung zur Folge hat, so dass die Hitze aufgrund der Erzeugung von Plasma bei einer Belichtung auch hartes Gewebe beschädigen kann. Zusätzlich ist mit Bezug auf die lichterzeugenden Vorrichtungen in dem Q-geschalteten Modus die Spitze des fundamentalen Strahlenimpulses so groß, dass die Endoberflächen des nicht-linearen, optischen Kristalls, der als ein Wellenlängenumwandlungselement verwendet wird, beschädigt werden können.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung dient einem Erzielen einer höheren Betriebseffizienz, Unterdrücken einer Erzeugung elektromagnetischen Rauschens, das einen zerstörerischen Einfluss auf nahegelegene elektronische Vorrichtungen haben kann, was die Vorrichtungen kompakter macht, Reduzieren einer Beschädigung organischen Gewebes in den Bereichen um die bestrahlten Abschnitte herum, Verhindern einer Beschädigung nicht-linearer optischer Kristalle und Ermöglichen multifunktionaler Behandlungen mit einer einzigen Laserbehandlungsvorrichtung.

Bei der Laservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein von einem Festkörperlaser, gepumpt durch eine quasi kontinuierliche Welle LD (QCW-LD), ausgegebener Laserstrahl als fundamentaler Strahl verwendet, und ein Licht einer erwünschten Wellenlänge wird aus diesem fundamentalen Strahl mittels einer nicht-linearen Optik erzeugt. Die zeitliche Impulsbreite des Laserimpulses ist im Bereich von Submikrosekunden bis Millisekunden, und transiente Oszillationen werden minimiert, indem die Wellenform des an den QCW-LD gesendeten Ansteuerstroms geändert wird. Diese Wellenform ist eine deformierte, rechtwinklige Welle, die einen Maximalwert und einen Minimalwert vor einem Plateau erreicht. Um eine höhere Effizienz in der Vorrichtung mittels einer hocheffizienten Wellenlängenumwandlung zu erreichen, wird ein periodisch gepolter Magnesium dotierter Lithiumniobat-Kristall als nicht-lineares, optisches Element verwendet. Darüber hinaus wird ein OPO-Resonator, der zwei OPO-Spiegel und ein optisches Element für vollständige, interne Reflexion verwendet, eingesetzt. Weiter werden Strahlen einer Vielzahl von Wellenlängen, bezüglich der Wellenlänge umgewandelt durch das nicht-lineare optische Element, und der fundamente Strahl gleichzeitig oder unabhängig verwendet.

Mit einem Quasi-CW-Modus LD (QCW-LD) Pumpformat ist es möglich, eine hohe Effizienz zu erreichen, reduziertes elektromagnetisches Rauschen und Miniaturisierung. Zusätzlich bewirkt die höhere Effizienz des Wellenlängenumwandlungsabschnitts eine höhere Effizienz der gesamten Vorrichtung. Indem die durch den Wellenlängen gewandelten LD erzeugten Impulse länger gemacht werden, wird eine Plasmaerzeugung am bestrahlten Objekt unterdrückt, und die Beschädigung von Bereichen, die die bestrahlten Abschnitte umgeben, wird minimiert. Zur gleichen Zeit können durch ein Steuern der zeitlichen Wellenform des QCW-LD- Impulses die transienten Oszillationen unterdrückt werden, während das gleiche Energieniveau erreicht wird, wie in bekannten Technologien, wodurch die Spitzenleistung in der Vorrichtung vermindert und die Lebensdauer der Vorrichtung verlängert wird.

Indem gleichzeitig mit einer Vielzahl von Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen, erhalten durch eine Wellenlängenumwandlung, bestrahlt wird, ist es möglich, einen Kombinationsverarbeitungseffekt zu erzielen. Beispielsweise, wenn das Bestrahlungsobjekt in einer medizinischen Anwendung weiches organisches Gewebe ist, ist es möglich, die gleichzeitige Durchführung eines scharfen Einschnitts mittels der Wellenlänge, die die der Absorptionsspitze des Gewebes entspricht, und einer Hämostase (Blutstillung) durch Wellenlängen, die länger als die Absorptionswellenlänge sind und geringere Absorptionskoeffizienten aufweisen, zu erzielen. Darüber hinaus, durch Verwendung sekundärer sichtbarer Lichtkomponenten, erzeugt durch eine Wellenlängenumwandlung, um die Strahlen mit für das Auge nicht sichtbaren Wellenlängen zu führen, ist es möglich, eine Vorrichtung anzubieten, die für eine Anwendung in medizinischen Behandlungen geeignet ist.

Die vorliegende Erfindung liefert eine kompakte, hocheffiziente Lichterzeugungsvorrichtung mit reduziertem elektromagnetischen Rauschen, geeignet für medizinische Anwendungen. Da diese einzige lichterzeugende Vorrichtung in der Lage ist, eine Vielzahl von Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen auszugeben, ist es möglich, eine Kombination von Funktionen zu erzielen. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung natürlich auch als eine Lichtquelle für industrielle Bearbeitungsanwendungen verwendet werden, Fotofluoreszenzdiagnose und fotoakustische Diagnose.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm einer Wellenlängenwandlungs-Lichterzeugungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt die Wellenform des elektrischen Stromes, der verwendet wird, um den LD anzuzeigen, was die fundamentale Strahlquelle darstellt, die Wellenform hinsichtlich einer Zeit des fundamentalen Strahlimpulses, und die Eingabe- Ausgabecharakteristiken für eine Wellenlängenwandlung.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Diagramm einer Wellenlängenwandlungs-Lichterzeugungsvorrichtung für eine Verwendung in medizinischen Anwendungen, eine flexible Wellenführung umfassend.

Fig. 4 zeigt die Wellenlängen von den durch den Wellenlängenwandlungsbereich erzeugten Strahlen.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm der Zeitsequenzen von festen und modulierten Wiederholungsbetriebsvorgängen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf das Beispiel der Wellenlängenwandlungs- Lichterzeugungsvorrichtung aus Fig. 1 beschrieben. Der Fundamentalstrahllaserkopf 106 besteht aus einem QCW-LD 101, einem Laserkristall 103, einem rückwärtigen Spiegel 104 und einem Ausgangsspiegel 105. Der QCW-LD 101 wird durch eine LD- Energiequelle 102 angesteuert, die die Impulswellenform hinsichtlich der Zeit modulieren kann. Durch Verwendung eines LD-gepumpten Fundamentalstrahllasers ist das elektromagnetische Rauschen, das durch die Lichtquelle erzeugt wird, klein genug gemacht, um es im Vergleich mit dem lampengepumpten Typ zu vernachlässigen.

Ein Strahlformungsbereich 108 führt eine Leistungsmodulation des Fundamentalwellenstrahls durch, eine Modulation des Strahldurchmessers, eine Modulation der Polarisation und verhindert die Erzeugung eines rückkehrenden Strahls. Um dies zu erzielen, kann der Strahlformungsabschnitt 108 aus einer Wellenplatte, Polarisierer, Linse und Isolator bestehen. Der Wellenlängenwandlungsbereich 112 ist ein optischer parametrischer Oszillator (OPO), bestehend aus einem nicht- linearen, optischen Kristall 109, einem OPO-Eingangsspiegel 110 und einem OPO-Ausgangsspiegel 111. Die Temperatur des nicht-linearen, optischen Kristalls 109 wird durch einen Temperaturregulierer 113 eingestellt, um die Phase des fundamentalen Strahls und des Wellenlängen gewandelten Strahls einzustellen. Zusätzlich, durch Aufrechterhalten einer hohen Temperatur, ist es möglich, fotorefraktive Beschädigung innerhalb des nicht-linearen, optischen Kristalls 109 zu vermeiden. Falls beispielsweise periodisch gepoltes Lithiumniobat als das nicht-lineare, optische Kristall verwendet wird, sollte die Temperatur bei 180°C gehalten werden. Darüber hinaus kann durch Verwendung periodisch gepolten Lithiumniobats als nicht-lineares, optisches Kristall eine Wellenlängenwandlung bei Raumtemperatur durchgeführt werden, indem eine Erhöhung des Schwellwertes für fotorefraktive Beschädigung verwendet wird. In diesem Fall kann der Temperaturregulierer 113 entfernt werden, um die Vorrichtung kleiner zu machen und einen Energieverbrauch zu vermindern.

Wenn der fundamentale Strahl in einem OPO-Resonator in zwei Wellenlängen gewandelt wird, wird der fundamentale Strahl der Pumpstrahl genannt, und von den zwei erzeugten Strahlen der eine mit der längeren Wellenlänge der Leerlaufstrahl und der andere mit der kürzeren Wellenlänge der Signalstrahl genannt wird. Der OPO-Ausgangsstrahl 114 umfasst diese, d. h. einen Leerlaufstrahl, einen Signalstrahl und Pumpstrahl, und auch die Summe harmonischer Schwingungen und harmonischer Schwingungen höherer Ordnung dieser Komponenten. Der OPO- Resonator fängt den Leerlaufstrahl und/oder den Signalstrahl innerhalb des Resonators ein, und bewirkt, dass dieser mit dem Pumpstrahl innerhalb des nicht-linearen, optischen Kristalls 109 interagiert. Da es nur eine Spiegelstruktur mit den geeigneten Eigenschaften sein muss, muss es nicht ein Zweispiegel-Resonator des Wellenlängenwandlungsabschnitts 112 aus Fig. 1 sein und kann aus einem Dreispiegel-Resonator 116 oder einem Vierspiegel-Resonator 117 bestehen.

Im Falle des in dem Wellenlängenwandlungsbereichs 112 gezeigten Zweispiegel-Resonators wird der fundamentale Strahl an den Endoberflächen des OPO-Eingangsspiegels 110, dem nicht-linearen, optischen Kristall 109 und OPO- Ausgangsspiegel 111 teilweise reflektiert und entlang der gleichen Achse zum Fundamentalstrahllaserkopf zurückgeführt. Um den Rückkehrstrahl auszulöschen, ist ein Isolator innerhalb des Strahlformungsbereichs 108 enthalten.

Unter Verwendung des Vierspiegel-Resonators 121 ist es möglich, den Rückkehrstrahl zu reduzieren und daher den Isolator zu entfernen. Mit einem Vierspiegel-Resonator 121 ist es möglich, einen OPO-Strahl 124 neu zu erzeugen, durch Erhöhen der Transmissivität des OPO-Spiegels 123 mit Bezug auf die Resonanzwellenlänge. Dieses ist dann nützlich, wenn gewünscht wird, den Signalstrahl entlang einer optischen Achse zu extrahieren, die sich von dem Leerlaufstrahl unterscheidet. Da jedoch viel Arbeit für die Montagearbeit aufgewendet werden muss, um die feinen Einstellungen für die vier Spiegel durchzuführen, kann ein Dreispiegel-Resonator 116 verwendet werden, gebildet durch Verwendung der vollständigen, internen Reflexionseigenschaft einer Glasscheibe 119. In diesem Dreispiegel-Resonator 116 kann die Erzeugung eines Rückkehrstrahls aufgrund der Reflexion von den Endoberflächen der optischen Elemente niedrig gehalten werden, und daher kann der Isolator entfernt werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Scheibe 119 aus BK7-Glas verwendet. Eine Beschichtung, die mit Bezug auf den Signalstrahl oder Leerlaufstrahl nicht reflektierend ist, wird an beiden Oberflächen der Scheibe 119 angebracht. Die Ausgangseigenschaften des Wellenlängen gewandelten Strahls des Dreispiegel-Resonators 116 und des Vierspiegel-Resonators 121 sind die gleichen.

Eine Impulszeitwellenform für den Fall, in dem ein QCW-LD mit einer Oszillationswellenlänge von 808 nm als der QCW-LD 101 verwendet wird und ein ND : YAG als der Laserkristall 103 verwendet wird, wird mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben. Falls die Ansteuerstromwellenform eine rechtwinklige Impulswellenform 201(a) ist, wird die Wellenform des Fundamentalwellenstrahls 10 die Fundamentalstrahl- Impulswellenform 201(b) aufweisen. Der Impuls weist in dem vorderen Abschnitt eine hohe Spitze auf, wobei der Abschnitt, in dem die Energie oszilliert, als der transiente Oszillationsbereich bekannt ist. Die Spitze dieses transienten Oszillationsbereichs ist ausreichend viel kleiner als die eines Q-geschalteten Impulsbetriebs Hochwiederholungslasers mit der äquivalenten, gemittelten Leistung, so dass, auch wenn ein Impuls dieser Wellenform als der Pumpstrahl verwendet wird, diese innerhalb des Bereichs einer sicheren Verwendung der optischen Komponenten in dem Wellenlängenwandlungsbereich 112 und den optischen Teilen in dem Strahlformungsbereich 108 liegen wird. Dieser Bereich für eine sichere Verwendung ist für jeden optischen Bestandteil spezifisch und hängt weitgehend von der Pumpstrahlintensität und Impulsbreite ab, wobei eine Beschädigung zuerst in den Teilen auftritt, die den niedrigsten Beschädigungsschwellwert aufweisen. Das heißt, dass im Falle einer Fundamentalimpulswellenform 201(b), erzeugt durch einen Festkörperlaser, aufgrund einer Anregung mit einer rechtwinkligen Stromwellenform 201(a), die transienten Oszillationen, die gleichzeitig mit dem Beginn einer Oszillation auftreten, sehr wahrscheinlich eine Beschädigung nicht nur des Bestrahlungsobjekts hervorrufen, sondern auch der Optik innerhalb des OPO-Resonators. Aus diesem Grund muss die transiente Oszillationsspitze reduziert werden, um den Bereich einer sicheren Verwendung zu erweitern.

Durch Modulieren der Ansteuerstromimpulswellenform, um die modulierte Stromwellenform 202(a) zu erzeugen, wird eine Fundamentalstrahlimpulswellenform 202(b) mit einer reduzierten, transienten Oszillationsspitze erzeugt. Wie in der Zeichnung gezeigt, ist der Erhöhungsabschnitt der modulierten Stromwellenform 202(a) stufenweise. Die transiente Oszillationsspitze der Fundamentalstrahlimpulswellenform 202(b), die auf diese Weise erhalten wird, wird auf ungefähr 1/2 der Spitze für die Fundamentalimpulswellenform 201(b) für den Fall reduziert, in dem eine rechtwinklige Stromwellenform 201(a) verwendet wird, wie oben beschrieben (der Spitzenwert der Wellenform 201(b) liegt außerhalb der Grenzen, und der Spitzenwert selbst kann nicht aus der Zeichnung abgelesen werden). Daher kann durch Verwendung einer Stromwellenform 202(a), die einen stufenförmigen Anstieg aufweist, die transiente Oszillationsspitze reduziert werden, wodurch der Bereich einer sicheren Verwendung innerhalb des Resonators erweitert wird.

Bezugszeichen 203 in Fig. 2 veranschaulicht eine fundamentale Impulswellenform für den Fall, in dem noch eine andere Stromwellenform verwendet wird. Die Stromwellenform weist einen Anstiegsbereich in der Form einer rechtwinkligen Welle auf und erreicht einen Maximalwert und einen Minimalwert vor einem Erreichen des Plateauwerts. In diesem Fall ist der Unterdrückungseffekt hinsichtlich der transienten Oszillationsspitze gut ersichtlich, wobei die transiente Oszillationsspitze auf weniger als 1/5 des Falles gehalten wird, in dem eine rechtwinklige Stromwellenform 201(a) verwendet wird. Als ein Ergebnis ergibt sich, auch wenn periodisch gepoltes Lithiumniobat als nicht-lineares, optisches Kristall verwendet wird, keine Beschädigung der Kristallendoberflächen. Es ist nicht immer notwendig, die Form von 202(a) zu verwenden, um die transiente Oszillationsspitze zu unterdrücken, eine beliebige Form wird effektiv sein, bei der der Anstiegsbereich der Rechteckwelle nicht sofort den Plateaustrom erreicht, wie beispielsweise eine Rampenfunktion oder Stufenfunktion.

Mit einem Impuls dieser Fundamentalstrahlimpuls-Wellenformart und vollen Breite zur Hälfte des Maximum von 400 Mikrosekunden als Anregungsstrahl wurden Umwandlungseffizienzen von jeweilig 25% und 15% mit einem Leerlaufstrahl von 2,94 Mikron und einem Signalstrahl von 1,67 Mikron mit PPLN als nicht-linearem optischen Kristall erzielt. Der verwendete Resonator war ein Vierspiegel- Resonator 121, mit Reflektivitäten der Spiegel mit Bezug auf den Pumpstrahl, Leerlaufstrahl und Signalstrahl jeweilig weniger als 1%, weniger als 3% und mehr als 99% für den OPO- Eingangsspiegel 117, den OPO-Ausgangsspiegel 118 und den OPO- Spiegel 122. Die Reflektivitäten der OPO-Spiegel 123 waren jeweilig weniger als 1%, weniger als 3% und 90%, wobei der Signalstrahl innerhalb des OPO-Resonators als OPO- Ausgangsstrahl 124 mit einer Ausgangskopplungsrate von 10% extrahiert wird. In diesem Fall war der OPO-Ausgangsstrahl 114 der Leerlaufstrahl, und der OPO-Ausgangsstrahl 124 war der Signalstrahl, so dass die Strahlen jeder Wellenlänge separat verwendet werden konnten. Wenn der Fundamentalstrahl eine Energie von 500 mJ aufwies, lag der Leerlaufstrahl mit einer Wellenlänge von 1,94 Mikron 125 mJ, und der Signalstrahl mit einer Wellenlänge von 1,67 Mikron lag bei 75 mJ. Die Form der modulierten Stromwellenform 202(a) ist nicht einmalig, so dass es möglich ist, den Strom auf ungefähr dem Oszillationsschwellwert des Nd : YAG Lasers für eine lange Zeit zum vorderen Abschnitt der Impulswellenform zu halten, dann den Strom auf ein Maximum simultan mit einer Oszillation zu erhöhen. Wenn die Fundamentalstrahlimpulswellenform 201(b) verwendet wurde, ergab sich eine Beschädigung der PPLN- Endoberflächen bei einer Fundamentalstrahlimpulsenergie von 300 mJ, wie in den Eingangs-Ausgangsleistungseigenschaften 203(a) gezeigt. Dieses kann der Tatsache zugeschrieben werden, dass der Signalstrahl und Pumpstrahl, erzeugt in dem trransienten Oszillationsspitzenabschnitt und gefangen innerhalb des OPO-Resonators, sich an den PPLN-Endoberflächen überlappt haben, wodurch der Beschädigungsschwellwert für die PPLN-Oberflächen überschritten wurde. Auf der anderen Seite, wenn die Fundamentalstrahlimpulswellenform 202(b) verwendet wurde, ergab sich keine Beschädigung der optischen Elemente, auch mit einer Fundamentalstrahlimpulsenergie von 500 mJ, wie durch die Eingangs-Ausgangsleistungseigenschaften 203(b) gezeigt, wodurch höhere Ausgaben möglich sind.

Ein Bestrahlungsverfahren mit einem OPO-Ausgangsstrahl 114, erzeugt durch die oben beschriebene Lichterzeugungsvorrichtung, wird mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben. Als ein Wellenlängenwandlungsabschnitt wurde ein Vierspiegelresonator 121 verwendet, mit Reflektivitäten des Pumpstrahls, Leerlaufstrahls und Signalstrahls, jeweilig weniger als 1%, weniger als 3% und mehr als 99% an dem OPO- Spiegel 123, und geändert auf weniger als 1%, weniger als 3% und 90% an dem OPO-Ausgangsspiegel 113, wodurch ein Leerlaufstrahl und Signalstrahl entlang der gleichen Achse wie der OPO-Ausgangsstrahl 114 erhalten wird. Die räumliche Divergenz des OPO-Ausgangsstrahls 114 ist korrigiert durch einen Strahleinstellabschnitt 301, um der numerischen Apertur eines flexiblen Wellenleiters 302 zu entsprechen, in den er eingegeben wurde. Es ist auch möglich, den Strahleinstellabschnitt 301 wegzulassen, durch Einstellen der Spiegelkrümmungen des OPO-Eingangsspiegels und OPO- Ausgangsspiegels in dem OPO-Resonator, so dass die Divergenz des OPO-Ausgangsstrahls 114 zu der numerischen Apertur des flexiblen Wellenleiters 302 passt. Insbesondere, durch Einstellen des Krümmungsradius des OPO-Eingangsspiegels und OPO-Ausgangsspiegels auf 100 mm war es möglich, ein direktes Koppeln mit einem Kohlenwellenleiter mit einer numerischen Apertur von 0,1 und einem inneren Durchmesser von 700 Mikron zu erzielen. Der angetroffene Verlust war 0%.

Ein flexibler Wellenleiter 302 kann ausgewählt werden aus einer Gruppe, bestehend aus einer hohlen Faser, Saphirfaser, Fluoridgasfaser und Germaniumoxidfaser, fähig, einen Strahl in 3-Mikronwellenlängenband zu übertragen, wie beispielsweise den Leerlaufstrahl.

Der Strahleinstellabschnitt 303 war bereitgestellt zum Zwecke einer Änderung der Intensität des OPO-Ausgangsstrahls mit Bezug auf das Bestrahlungsobjekt 305. Der Strahleinstellabschnitt 303 war hergestellt aus einem wasserfreien Silikaglas oder einem Glas vom Germaniumoxidtyp. Der Strahleinstellabschnitt 303 kann entfernt werden, falls notwendig.

Da der Leerlaufstrahl und Signalstrahl in dem OPO- Ausgangsstrahl enthalten sind, werden mindestens zwei Funktionen erzielt, wenn das Bestrahlungsobjekt weiches organisches Gewebe ist. Das heißt, während präzise Schnitte mit dem Leerlaufstrahl bei der Wellenlänge von 2,94 Mikron, was der Absorptionsspitze von Wasser entspricht, getätigt werden, wurde eine Koagulierung mikroskopischer Blutgefäße mit dem Signalstrahl bei einer Wellenlänge von 1,67 Mikron für eine Hemostase durchgeführt. Da der OPO-Ausgangsstrahl ein Impuls mit niedrig gehaltener Spitzenleistung aufgrund transienter Oszillationen und ähnlichem ist, wie oben beschriebenen, wurde eine exzessive Erzeugung von Plasma in dem Bestrahlungsobjekt 305 nicht beobachtet, wodurch bestätigt wurde, dass das Abschirmen von Licht aufgrund des Plasmas und ein Erwärmen aufgrund von Plasmaabsorption unterdrückt wurde. Daher trat eine Beschädigung, wie beispielsweise Verkohlung und Risse, in der Nähe der bestrahlen Bereiche nicht auf. Es wurde auch bestätigt, dass, wenn das Bestrahlungsobjekt 305 hartes Gewebe ist, wie beispielsweise im Fall von Dentin oder Knochen, ein effizientes Bohrungsloch durch den Leerlaufstrahl in dem 3- Mikronband, was der Absorptionsspitze von Wasser entspricht, getätigt werden konnte. In diesem Fall war die Form des Strahleinstellabschnitts 303 die eines Konus mit abgeflachter Spitze, und die untere Oberfläche wurde verwendet, um mit dem Ausgabeende des Wellenleiters zu koppeln. Die Energie pro Flächeneinheit bei einer Bestrahlung war 30 J/cm². Zu diesem Zeitpunkt war der 1,67 Mikronsignalstrahl in dem OPO- Ausgangsstrahl 124 von Fig. 1 enthalten, und der Wellenleiter, der mit dem OPO-Ausgangsstrahl 114 gekoppelt war, übertrug hauptsächlich den Leerlaufstrahl.

Fig. 4 zeigt einige der innerhalb des OPO-Resonators erzeugten Wellenlängen. λ bezeichnet eine Wellenlänge, und die Tiefstellungen p, i, s, SHG und p+s bezeichnen jeweils den Pumpstrahl, den Leerlaufstrahl, den Signalstrahl, die zweite harmonische Schwingung und die Summe der harmonischen Schwingung des Pumpstrahls und des Signalstrahls. Wenn die Pumpstrahlwellenlänge 1,064 Mikron war und die Leerlaufstrahlwellenlänge 2,94 Mikron war, war die Wellenlänge des Signalstrahls 1,67 Mikron, die zweite harmonische Schwingung 0,532 Mikron (sichtbar, Farbe Grün), und die Summe der harmonischen Schwingung war 0,65 Mikron (sichtbar, Farbe Rot). Der letztere grüne und rote Strahl wurden in der Richtung des OPO-Ausgangsstrahls 114 in Fig. 1 entlang der gleichen Achse ausgegeben wie der Leerlaufstrahl. Da Energie verteilt wird von der Energie des Pumpstrahls zu anderen harmonischen Strahlen war die Pumpstrahlenergie in Fig. 4 klein. Da der Strahl, der tatsächlich für eine Behandlung verwendet wird, der Leerlaufstrahl ist, ist es dem Chirurgen nicht ermöglicht, mit dieser Lichtquelle mit dem nackten Auge zu sehen, wo der Strahl auf den behandelten Bereichen ist. Durch Bereitstellen des Strahleinstellabschnitts 301, 303 und Wellenleiter 302 aus optischen Materialien, die sichtbares Licht übertragen, wird es daher möglich, den sichtbaren Bereich als Führungen zu verwenden, um die Bereiche anzuzeigen, die behandelt werden.

Wenn organisches Gewebe mit einem OPO-Ausgangsstrahl bearbeitet wird, kann eine thermische Beschädigung aufgrund eines kumulativen Wärmeeffekts auftreten, falls die Wiederholungsfrequenz zu hoch ist. Aus diesem Grund wird die Wiederholungsfrequenz normalerweise reduziert, so dass sie im Bereich von 10 Hz ist, wie durch den regelmäßigen Wiederholungsmodus 501 in dem oberen Bereich von Fig. 5 gezeigt, und weiter kann durch Aufsprühen von Kühlungsflüssigkeit auf den Laserbestrahlungsbereich Oberflächentemperaturerhöhungen mit jedem Puls unterdrückt werden, wodurch eine thermische Beschädigung an dem Bestrahlungsobjekt verhindert wird. Falls jedoch die Energie pro Impuls konstant ist, und die Wiederholungsfrequenz niedrig ist, wird die Bestrahlungsleistung niedrig, wodurch die Arbeitseffizienz reduziert wird. Daher wurde, wenn das Bestrahlungsobjekt Dentin ist, eine Einheitsimpulssequenz 503 mit 4 Impulsschüssen mit einer Wiederholungsfrequenz von 500 Hz verwendet, wie in dem unteren Bereich von Fig. 5 gezeigt, wobei diese Einheitsimpulssequenz mit 10 Hz als modulierter Wiederholungsmodus 502 durchgeführt wurde. Im Vergleich mit dem rechtwinkligen Wiederholungsmodus 501 war die Bestrahlungsenergie vierfach erhöht, und die Arbeitseffizienz hinsichtlich Zeit war erhöht. Darüber hinaus, da das Bestrahlungsobjekt nach jeder Einheitsimpulssequenz gekühlt wurde, wurden Oberflächentemperaturerhöhungen unterdrückt, und eine thermische Beschädigung trat nicht auf. Die Wiederholungsfrequenz und Anzahl von Impulsen in jeder Einheitsimpulssequenz und die Wiederholungsfrequenz der Einheitsimpulssequenz in dem modulierten Wiederholungsmodus 502 sind durch die thermischen Eigenschaften des Bestrahlungsobjekts bedingt. Die Modulation des Wiederholungsmodus wurde durchgeführt durch Modulierung der Erzeugung von Stromimpulsen in der LD-Energiequelle. Somit ist es möglich, einen modulierten Impulsmodus bereitzustellen, der zwei oder mehr Wiederholungsfrequenzen kombiniert. Als ein weiteres Verfahren ist es möglich, einen modulierten Impulsmodus auszuführen, indem die OPO- Ausgangsstrahlimpulssequenz, die in einem Hochwiederholungsmodus erzeugt wird, durch einen elektromagnetischen Shutter oder elektrooptischen Schalter abgeschnitten wird.

Claims (16)

1. Eine Lichterzeugungsvorrichtung, umfassend:
einen LD-gepumpten Festkörperlaser mit quasi- kontinuierlicher Welle zum Erzeugen eines Laserimpulses mit einer zeitlichen Pulsbreite im Bereich von Submikrosekunden bis Millisekunden; und
einen Wellenlängenumwandlungsabschnitt zum Umwandeln der Oszillationswellenlänge des Laserimpulses, erzeugt durch den LD-gepumpten Festkörperlaser mit quasi- kontinuierlicher Welle, um einen Wellenlängen gewandelten Impulsstrahl zu erzeugen.

2. Eine Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, weiter einen LD-Energieversorgungsabschnitt umfassend, zum Bereitstellen eines elektrischen Stromes an den LD- gepumpten Festkörperlaser mit quasi-kontinuierlicher Welle, wobei der LD-Energieversorgungsabschnitt den elektrischen Stromwert innerhalb einer Impulszeitbreite modulieren kann.

3. Eine Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der LD-Energieversorgungsabschnitt einen elektrischen Strom bereitstellt, in der Form einer deformierten, rechteckigen Welle, die einen Maximalwert und einen Minimalwert vor einem Plateau erreicht, wodurch transiente Oszillationsspitzen unterdrückt werden.

4. Eine Lichterzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der LD-gepumpte Festkörperlaser mit quasi-kontinuierlicher Welle ein LD-Pumpfestkörperlaser mit einer Ausgangsleistung ist, die innerhalb einer Impulszeitbreite variabel ist.

5. Eine Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der LD-gepumpte Festkörperlaser mit quasi- kontinuierlicher Welle einen modulierten Wiederholungsbetrieb durchführen kann, wobei eine Vielzahl von Impulsen aufeinanderfolgend erzeugt wird, wonach der Ablauf einer Zeitperiode vor Erzeugung der nächsten Vielzahl von aufeinanderfolgenden Impulsen bereitgestellt wird.

6. Eine Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wellenlängenumwandlungsabschnitt ein optischer parametrischer Oszillator ist, bestehend aus einem nicht-linearen, optischen Kristall und einem Resonator.

7. Eine Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das nicht-lineare optische Kristall ein periodisch gepoltes Magnesium dotiertes Lithiumniobatkristall ist.

8. Eine Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Resonator zwei Spiegel und ein optisches Element mit vollständiger interner Reflexion umfasst.

9. Eine Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, mit mindestens einem flexiblen Lichtführungsabschnitt zum Übertragen des Wellenlängen gewandelten Strahls, zum Bestrahlen von Bestrahlungsobjekten an unterschiedlichen Positionen mit einem Laserstrahl, ohne den Festkörperlaser und Wellenlängenwandlungsabschnitt zu bewegen.

10. Eine Lichterzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wellenlängenumwandlungsabschnitt eine Vielzahl von Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt, und mindestens eine der Wellenlängen gewandelten Strahlen eine Komponente innerhalb dem Wellenlängenbereich sichtbaren Lichts bis 10 µm oder weniger ist.

11. Eine Laservorrichtung, umfassend eine Lichterzeugungsvorrichtung mit:
einem LD-gepumpten Festkörperlaser mit quasi­ kontinuierlicher Welle zum Erzeugen eines Laserimpulses mit einer zeitlichen Pulsbreite im Bereich von Submikrosekunden bis Millisekunden; und
einem Wellenlängenwandlungsabschnitt, zum Umwandeln der Oszillationswellenlänge des Laserimpulses, der durch den LD-gepumpten Festkörperlaser mit quasi-kontinuierlicher Welle erzeugt ist, um einen Wellenlängen gewandelten Impulsstrahl zu erzeugen;
wobei die Laservorrichtung für eine medizinische oder industrielle Bearbeitungsanwendung verwendet wird.

12. Eine Laservorrichtung nach Anspruch 11, wobei ein sichtbarer Strahl, erzeugt durch den Wellenlängenumwandlungsabschnitt, als ein Führungsstrahl verwendet wird.

13. Eine Laservorrichtung nach Anspruch 11, wobei eine Beschädigung aufgrund eines Plasmas und akustischer Wellen bei einer Bestrahlung auf dem Bearbeitungsobjekt nicht auftritt.

14. Eine Laservorrichtung nach Anspruch 11, verwendet für medizinische Anwendungen, wobei der Impulsstrahl ein Leerlaufstrahl in dem 3-Mikronband ist, und der Leerlaufstrahl verwendet wird, um das Bestrahlungsobjekt zu schneiden.

15. Eine Laservorrichtung nach Anspruch 11, verwendet für medizinische Anwendungen, wobei der Impulsstrahl ein Signalstrahl ist, erzeugt gleichzeitig mit einem Leerlauf(strahl) in dem 3-Mikronband, und der Signalstrahl für eine Hemostase des Bestrahlungsobjekts verwendet wird.

16. Eine Laservorrichtung nach Anspruch 11, für medizinische Anwendungen verwendet, wobei der Impulsstrahl ein Leerlaufstrahl in dem 3-Mikronband ist, und ein Signalstrahl gleichzeitig mit dem Leerlaufstrahl erzeugt wird, und der Leerlaufstrahl verwendet wird, um das Bestrahlungsobjekt zu schneiden, während der Signalstrahl für eine Hemostase des Bestrahlungsobjekts verwendet wird.