JP2002084021A - Pulse wave co2 laser - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】本発明は、組織を処置するのに適した短い
高出力パルスを発生することのできるＲＦ励振されるＣ
Ｏ２スラブ導波管レーザーに関する。[0001] The present invention provides an RF-excited C capable of generating short high-power pulses suitable for treating tissue.
O related to 2 slab waveguide laser.
【０００２】様々な形式の導波管スラブＣＯ２レーザー
に関するかなりの調査がなされている（「導波管レーザ
ーのレビュー（The Waveguide Laser: A Review）」応
力物理（Applied Physics）第II巻、１〜３３ページ
（１９７６）参照）。導波管レーザーは、循環する光が
伝搬進路の或る部分にわたって誘導され、自由空間伝搬
の法則に従わない、という点で、従来のレーザーと異な
る。スラブという語は、２つの平らな表面の間に画成さ
れる矩形の放電領域を有するレーザーを意味するのに使
用される。本発明に関し、スラブ導波管レーザーという
語は２つの狭い間隔の電極の間に画成される矩形放電領
域を有するレーザーを意味するのに使用され、光は電極
の間の狭い次元の中を誘導され、しかも、より広い次元
の自由空間内に伝搬することができる。[0002] have been various forms considerable research on waveguide slab CO 2 laser ( "waveguide laser review (The Waveguide Laser: A Review)" stress physical (Applied Physics) Vol. II, 1 Pp. 33 (1976)). Waveguide lasers differ from conventional lasers in that circulating light is guided over some part of the propagation path and does not obey the law of free space propagation. The term slab is used to mean a laser having a rectangular discharge area defined between two flat surfaces. In the context of the present invention, the term slab waveguide laser is used to mean a laser having a rectangular discharge area defined between two closely spaced electrodes, wherein light travels in a narrow dimension between the electrodes. It can be guided and propagate in a larger dimension of free space.
【０００３】スラブ導波管ＣＯ２レーザーの初期の研究
は、ガスがＤＣ放電によって励振される流動ガスシステ
ムを指向した（例えば、「ＣＷ横放電、横ガス流Ｃ
Ｏ２：Ｎ ２：Ｈｅの平形導波管レーザーにおける光学利
得測定（Optical-gain Measurements in a CW Transver
se-discharge, Transverse-gas-flow ＣＯ２：Ｎ２：Ｈ
ｅPlanar-Waveguide Laser）」マクマレン（McMullen）
他、応用物理ジャーナル（Journalof Applied Physic
s）第４５巻、No. １１、１９７４年１１月、５０８４
ページ、参照）。密封ＣＯ２レーザーにＤＣ励振の行き
方を拡張する努力はあまり成功しなかった。[0003] Slab waveguide CO2Early research on lasers
Is a flowing gas system in which the gas is excited by a DC discharge.
(For example, “CW lateral discharge, lateral gas flow C
O2: N 2: Optical utility in He flat waveguide laser
Optical-gain Measurements in a CW Transver
se-discharge, Transverse-gas-flow CO2: N2: H
ePlanar-Waveguide Laser) "McMullen
Journal of Applied Physic
s) Volume 45, No. 11, November 1974, 5084
Page, see). Sealed CO2Go to the laser with DC excitation
Efforts to expand it have not been very successful.
【０００４】密封ＣＯ２導波管レーザーの最初の巧くい
った励振方策は、ラークマン（Laakmann）の１９７９年
９月２５日付、米国特許第４，１６９，２５１号に記載
される。該特許に開示されるレーザーは高周波ＲＦ励振
によって横向きに励振される。放電領域は、１対の隔置
された長い電極の間に画成される。ラークマン特許は、
電極の間隔に基づく、正しいＲＦ励振周波数の選択の仕
方を教える。安定な放電を維持するのに、正しいＲＦ周
波数による励振が必要である。The first successful excitation strategy for sealed CO 2 waveguide lasers is described in Laakmann, September 25, 1979, US Pat. No. 4,169,251. The laser disclosed in that patent is excited laterally by high frequency RF excitation. The discharge area is defined between a pair of spaced long electrodes. The Larkman patent
Teaches how to select the correct RF excitation frequency based on electrode spacing. Excitation with the correct RF frequency is required to maintain a stable discharge.
【０００５】ラークマン特許に開示されたレーザーの電
極は１対の長い絶縁部材によって隔置される。正方形及
び矩形の放電領域の両方を画成するために、電極及び絶
縁部材の組合せを用いることができる。該特許に図解さ
れる実施例において、絶縁部材の間隔は十分狭いので、
光は両方の次元内に、つまり電極及び絶縁部材の間に誘
導される。[0005] The electrodes of the laser disclosed in the Larkman patent are separated by a pair of long insulating members. A combination of electrodes and insulating members can be used to define both square and rectangular discharge areas. In the embodiment illustrated in the patent, the spacing between the insulating members is sufficiently small that
Light is guided in both dimensions, that is, between the electrodes and the insulating member.
【０００６】電極の或る与えられた長さ当りに発生され
ることのできる出力を増加させる努力において、ラーク
マン特許の教示は、ＣＯ２スラブ導波管レーザーの開発
に応用され、そこで光は狭い間隔の電極の間だけに誘導
され、より広い次元に自由に伝搬することが可能にされ
る。この型式のレーザーに関する最も初期の報告の一つ
は、レーザーと電子光学に関する会議（Conference on
Lasers and Electro-optics）１９８４年６月において
発表された要約、ガバイ、ヘルツベルク及びヤツィフ
（Gabai, Hertzberg andYatsiv ）の「無線周波数励振
ストリップラインＣＯ及びＣＯ２レーザー」に見られ
る。このレーザーにおいて、１対の隔置された水冷Ｘバ
ンド導波管電極が２５〜５０MHzの範囲の周波数のＲＦ
放射によって励振された。電極の間隔は４．５mm程度で
あり、これは光を誘導するのに適していた。電極のより
広い次元は２．５cmであり、これは光を自由に伝搬させ
た。平面鏡と安定共振器を用いてキャビティー実験が行
われた。補足の情報はヤツィフの継続論文、ガス流と化
学レーザーの会議、１９８６において発表され、スプリ
ンガ（Springer）によって出版された第６回国際シンポ
ジウム会議録１９８７、２５２〜２５７ページ、「導電
冷却され、容量結合されたＲＦ励振ＣＯ２レーザー」に
見出すことができる。In an effort to increase the power that can be generated per a given length of electrode, the teachings of the Larkman patent are applied to the development of a CO 2 slab waveguide laser where light is narrow. It is guided only between the spaced electrodes and is allowed to propagate freely over a wider dimension. One of the earliest reports on this type of laser was at the Conference on Lasers and Electro-Optics.
Lasers and Electro-optics) summaries presented at June 1984, Gabai, Herzberg and Yatsuifu (Gabai, seen in "Radio Frequency excitation strip lines CO and CO 2 lasers" of Hertzberg andYatsiv). In this laser, a pair of spaced, water-cooled X-band waveguide electrodes are operated at RF frequencies in the range of 25-50 MHz.
Excited by radiation. The electrode spacing was on the order of 4.5 mm, which was suitable for guiding light. The wider dimension of the electrode was 2.5 cm, which allowed light to propagate freely. Cavity experiments were performed using a plane mirror and a stable resonator. Supplemental information is presented in Yatsif's continuing paper, The Conference on Gas Flows and Chemical Lasers, 1986, The Sixth International Symposium Proceedings 1987, published by Springer, 1987, pp. 252-257, "Conductively Cooled It may be found bound to the RF excitation CO 2 laser ".
【０００７】いま一つのＣＯ２スラブ導波管レーザーは
チューリップ（Tulip）の１９８８年１月１２日付、米
国特許第４，７１９，６３９号に記載される。ガバイ論
文に述べられた装置と同様に、チューリップ装置の放電
領域は矩形であり、光を電極の間に誘導し、しかもより
広い次元の自由空間に伝搬させるような形態をとる。チ
ューリップ特許はまた、スラブレーザーでは、非導波管
方向に不安定共振器構造を用いたことがあり得ることを
開示する。チューリップ特許に述べられる不安定共振器
は１個の凹面鏡と１個の凸面鏡を含み、正分岐不安定共
振器として当業者に公知である。Another CO 2 slab waveguide laser is described in Tulip, Jan. 12, 1988, US Pat. No. 4,719,639. Similar to the device described in the Gavai article, the discharge area of the tulip device is rectangular and takes the form of directing light between the electrodes and propagating it to a larger dimension of free space. The Tulip patent also discloses that slab lasers may have used unstable resonator structures in the non-waveguide direction. The unstable resonator described in the Tulip patent includes one concave mirror and one convex mirror and is known to those skilled in the art as a positive branch unstable resonator.
【０００８】さらに一つのスラブ導波管レーザーが、応
用物理学報告（Applied Physics Letters）第５４巻、
Ｎｏ．２０、１９５０ページ、１９８９年５月、ジャク
ソン（Jackson）他の「不安定導波管ハイブリッド共振
器を用いるＣＯ２大面積放電レーザー」に述べられる。
チューリップ特許に記載されるレーザーと同じく、この
論文のレーザーには、非導波管方向への正分岐不安定共
振器が設けられる。[0008] Another slab waveguide laser is described in Applied Physics Letters, Vol.
No. 20,1950 pages, May 1989, described in Jackson (Jackson) Other "used unstable waveguide hybrid resonator CO 2 large area discharge laser."
Like the laser described in the Tulip patent, the laser in this article is provided with a positive branch unstable resonator in the non-waveguide direction.
【０００９】さらにいま一つのスラブ導波管レーザー
が、オパウア（Opower）の１９９０年７月３日付米国特
許第４，９３９，７３８号に開示されている。このスラ
ブ導波管レーザーにも、正分岐不安定共振器が設けられ
る。[0009] Yet another slab waveguide laser is disclosed in Opower, July 3, 1990, US Patent No. 4,939,738. This slab waveguide laser is also provided with a positive branch unstable resonator.
【００１０】過去の文献に報告された初期のＣＯ２スラ
ブ導波管レーザーの設計の多くは、有望性を見せてはい
るものの、商業的な開発に向いていなかった。特に、記
載されたレーザーの多くは、実質的に実験目的のための
ものであって、高出力レベルで長期間レーザーを運用し
ようとする時に直面する問題を克服するための努力はあ
まり払われなかった。例えば商業的に受け入れられるレ
ーザーを与えるために、鏡組立体、冷却システム及び電
極支持組立体を含む様々な設計上の問題に対処しなけれ
ばならない。Many of the early designs of CO 2 slab waveguide lasers reported in past literature, although promising, were not suitable for commercial development. In particular, many of the lasers described are for practical experimental purposes only, and little effort has been made to overcome the problems encountered when trying to operate the laser at high power levels for long periods of time. Was. For example, to provide a commercially acceptable laser, a variety of design issues must be addressed, including mirror assemblies, cooling systems, and electrode support assemblies.
【００１１】従来のスラブレーザーに伴ういま一つの問
題は、それらの共振器構造が、放電のごく近くに配置さ
れ、それ故に急激な劣化を受ける鏡を含んでいたことで
ある。この共振器の設計は、共振器鏡の最適な配置と半
径を規定する、導波管レーザー設計の従来の知恵に従っ
た。より具体的には、従来の理論は、導波管要素のごく
近くか、又は大きな距離を離して鏡を配置すべきであ
る、と規定した。鏡を導波管の端の近くに配置すること
によって、光の全部を強制的に導波管チャンネルに戻す
ことができる、と考えられた。鏡が導波管の端の近くに
置かれるキャビティ設計は、タイプＩ共振器を有する、
と言われた。タイプＩ共振器に使用される鏡は代表的に
平面であるか、又は非常に大きな曲率半径を有した。タ
イプＩ共振器は実験には良いが、近くの放電に暴露され
るための鏡の劣化がこの行き方を商業用途に向かないも
のにする。Another problem with conventional slab lasers is that their resonator structures included mirrors located very close to the discharge and therefore subject to rapid degradation. The design of this resonator followed conventional wisdom of waveguide laser design, which defines the optimal placement and radius of the resonator mirror. More specifically, conventional theory has stipulated that mirrors should be placed very close to or large distance from the waveguide element. It was believed that placing the mirror near the end of the waveguide could force all of the light back into the waveguide channel. The cavity design where the mirror is located near the end of the waveguide has a type I resonator,
I was told. The mirrors used in Type I resonators were typically planar or had a very large radius of curvature. Type I resonators are good for experiments, but the degradation of the mirror due to exposure to nearby discharges makes this approach unsuitable for commercial use.
【００１２】従来の導波管理論は、導波管の端から遠く
離れたもう２箇所があり、そこに鏡を置いて、しかも損
失を少なくすることができるであろうこと、を指定し
た。これらの箇所は電極間の距離の関数であり、便宜
上、ＲとＲ／２とした。もしも鏡が導波管の端からＲの
距離に置かれたならば、共振器はタイプIIと呼ばれた。
鏡がＲ／２の距離に置かれたならば、共振器はタイプII
Iと呼ばれた。タイプIIとタイプIIIの共振器双方の鏡の
曲率半径はＲに等しい。代表的な導波管形態における距
離Ｒは約１０cm〜１ｍとなる。導波管の端から両方の鏡
をこのように離すことは、レーザーパッケージに付加的
な空間を追加し、潜在的な整合安定性の問題を生ずるで
あろうから、商業用レーザー設計には受け入れ難い。[0012] Conventional waveguide management theory has specified that there are two more locations far from the end of the waveguide, where mirrors could be placed and that losses could be reduced. These locations are a function of the distance between the electrodes and are conveniently designated as R and R / 2. If the mirror was placed at a distance R from the end of the waveguide, the resonator was called type II.
If the mirror is placed at a distance of R / 2, the resonator will be of type II
Called I. The radius of curvature of the mirrors of both type II and type III resonators is equal to R. The distance R in a typical waveguide configuration will be about 10 cm to 1 m. This separation of both mirrors from the end of the waveguide adds additional space to the laser package and will create potential alignment stability problems, and is not acceptable for commercial laser designs. hard.
【００１３】従って、新型の改良されたＣＯ２スラブ導
波管レーザーを与えることが本発明の一目的である。Accordingly, it is an object of the present invention to provide a new and improved CO 2 slab waveguide laser.
【００１４】安定であって、所定の長さで高出力を発生
するＣＯ２スラブ導波管レーザーを与えることが本発明
のいま一つの目的である。It is another object of the present invention to provide a CO 2 slab waveguide laser that is stable and produces high power at a given length.
【００１５】改良された共振器構造を有するＣＯ２スラ
ブ導波管レーザーを与えることが本発明のさらに一つの
目的である。It is yet another object of the present invention to provide a CO 2 slab waveguide laser having an improved resonator structure.
【００１６】非導波管方向に負分岐不安定共振器を有す
るＣＯ２スラブ導波管レーザーを与えることが本発明の
さらにいま一つの目的である。It is yet another object of the present invention to provide a CO 2 slab waveguide laser having a negative branch unstable resonator in the non-waveguide direction.
【００１７】劣化を少なくするために導波管の端から隔
置された共振器鏡を有するＣＯ２スラブ導波管レーザー
を与えるのが本発明のいま一つの目的である。It is another object of the present invention to provide a CO 2 slab waveguide laser having a resonator mirror spaced from the end of the waveguide to reduce degradation.
【００１８】負分岐不安定共振器の幾何学に左右される
共振器鏡の間隔を有するＣＯ２スラブ導波管レーザーを
与えることが本発明のさらに一つの目的である。It is yet another object of the present invention to provide a CO 2 slab waveguide laser having resonator mirror spacing dependent on the geometry of the negative branch unstable resonator.
【００１９】改良された電極支持構造を有するＣＯ２ス
ラブ導波管レーザーを与えることが本発明のいま一つの
目的である。It is another object of the present invention to provide a CO 2 slab waveguide laser having an improved electrode support structure.
【００２０】電極の熱膨脹を許す電極支持構造を有する
ＣＯ２スラブ導波管レーザーを与えることが本発明のさ
らに一つの目的である。It is yet another object of the present invention to provide a CO 2 slab waveguide laser having an electrode support structure that allows for thermal expansion of the electrodes.
【００２１】放電を封じ込めない電極支持構造を有する
ＣＯ２スラブ導波管レーザーを与えることが本発明のい
ま一つの目的である。It is another object of the present invention to provide a CO 2 slab waveguide laser having an electrode support structure that does not contain a discharge.
【００２２】改良された電極冷却システムを有するＣＯ
２スラブ導波管レーザーを与えることが本発明のさらに
一つの目的である。CO with improved electrode cooling system
It is a further object of the present invention to provide a two slab waveguide laser.
【００２３】密封されたレーザーハウジングの外側から
の調整を可能にする改良された鏡取付け台を有するＣＯ
２スラブ導波管レーザーを与えることが本発明のいま一
つの目的である。CO with an improved mirror mount that allows adjustment from outside the sealed laser housing
It is another object of the present invention to provide a two slab waveguide laser.
【００２４】動作を容易にするために放電を初期イオン
化する装置を与えることが本発明のさらに一つの目的で
ある。It is a further object of the present invention to provide an apparatus for initializing a discharge to facilitate operation.
【００２５】組織を処理するのに適した短い高エネルギ
ーのパルスを発生するレーザーを与えることが本発明の
いま一つの目的である。It is another object of the present invention to provide a laser that produces short, high energy pulses suitable for treating tissue.
【００２６】上記及び他の多くの目的により、本発明
は、性能を高めることを意図した多くの特徴をもつＣＯ
２スラブ導波管レーザーを与える。スラブレーザーは、
対向する光反射表面を有する１対の、隔置された、平面
形電極から成る。電極の間隔は、反射表面に直角な平面
内で光が誘導されるように仕組まれる。対照的に、光反
射表面に平行な平面内の光は自由空間内を伝搬すること
が可能にされ、共振器のみによって封じ込められる。For these and many other purposes, the present invention provides a CO with many features intended to enhance performance.
Give a two slab waveguide laser. Slab laser is
Consists of a pair of spaced, planar electrodes having opposing light reflecting surfaces. The spacing of the electrodes is arranged such that light is guided in a plane perpendicular to the reflecting surface. In contrast, light in a plane parallel to the light reflecting surface is allowed to propagate in free space and is confined only by the resonator.
【００２７】本発明の一局面において、安定性を増し、
モード品質を改善するために新型の共振器構造が使用さ
れる。より具体的には、非導波管次元に光を反射するよ
うに負分岐不安定共振器が選択される。負分岐不安定共
振器は他のレーザーにも使用されているが、この構造が
ＣＯ２スラブ導波管レーザーに使用されたようすはな
い。従来の研究者は、負分岐不安定共振器がそのような
レーザーの出力を大幅に減ずるであろう、という間違っ
た仮定をした。負分岐不安定共振器は著しい出力減少を
生ずることなく使用することができることが判明した。In one aspect of the invention, the stability is increased,
A new type of resonator structure is used to improve the mode quality. More specifically, a negative branch unstable resonator is selected to reflect light in a non-waveguide dimension. Negative branch unstable resonators have also been used for other lasers, but there is no way that this structure was used for CO 2 slab waveguide lasers. Previous researchers have made the wrong assumption that a negative branch unstable resonator would greatly reduce the power of such a laser. It has been found that negative branch unstable resonators can be used without significant power reduction.
【００２８】新型共振器設計のいま一つの特徴は、劣化
の問題を軽減するために、鏡が導波管の端から十分な距
離に隔置されることである。この鏡の隔置は導波管構造
に関する従来技術の教えに従っていない。より具体的に
は、鏡がタイプＩ共振器よりも著しく大きな距離に導波
管の端から隔置されている。さらに、鏡はまたタイプII
又はタイプIII共振器のいずれよりもずっと導波管の端
に近い。Another feature of the new resonator design is that the mirror is spaced a sufficient distance from the end of the waveguide to reduce degradation problems. This mirror spacing does not follow the prior art teachings on waveguide structures. More specifically, the mirror is spaced from the end of the waveguide by a significantly greater distance than the type I resonator. In addition, the mirror is also a type II
Or much closer to the end of the waveguide than any of the Type III resonators.
【００２９】本発明によれば、共振器の負分岐不安定部
分の所要の光学出力結合に基づいて、鏡の隔離と曲率が
最初に選定される。経費節約のために、球面鏡が使用さ
れるのが望ましい。よって、導波管次元と非導波管次元
の両方における鏡の曲率半径は等しい。According to the invention, the mirror isolation and curvature are first selected based on the required optical output coupling of the negative branch unstable part of the resonator. For cost savings, a spherical mirror is preferably used. Thus, the radius of curvature of the mirror in both the waveguide dimension and the non-waveguide dimension is equal.
【００３０】鏡の隔離と曲率が非導波管次元で選定され
たあと、導波管の端と鏡との間隔が管内へ戻す光の反射
を最適化するように、導波管の長さが選定される。本発
明によれば、鏡箇所におけるレーザービームの波面の曲
率半径が鏡の選択された曲率半径に一致するように、導
波管の長さを設定することにより、この最適化が得られ
る。この行き方は、大ざっぱに１５％の損失が生ずるで
あろうと、従来の理論が指摘したにもかかわらず、出力
を最大にすることが判明した。After the mirror isolation and curvature are selected in the non-waveguide dimension, the length of the waveguide is such that the spacing between the waveguide end and the mirror optimizes the reflection of light returning into the tube. Is selected. According to the invention, this optimization is obtained by setting the length of the waveguide such that the radius of curvature of the wavefront of the laser beam at the mirror coincides with the selected radius of curvature of the mirror. This approach has been found to maximize output, despite previous theory pointing out that roughly 15% loss would occur.
【００３１】本レーザーのいま一つの重要な特徴は、電
極の隔離を維持するのに使用される支持構造に存する。
より具体的には、従来技術において、電極の間に１対の
長い絶縁ブロックを取付けることによって、電極の隔離
が行われた。この行き方は、電極の間に必要な電気的絶
縁を与えた。しかし、絶縁ブロックは放電の縁を鋭く画
成する傾向がある。Another important feature of the present laser lies in the support structure used to maintain electrode isolation.
More specifically, in the prior art, electrodes were isolated by mounting a pair of long insulating blocks between the electrodes. This approach provided the necessary electrical insulation between the electrodes. However, insulating blocks tend to sharply define the edges of the discharge.
【００３２】対照的に、本発明によれば、電極を支持し
絶縁する装置は放電から隔置される。このやり方で、放
電は鋭い限界を有せず、おだやかな縁を呈示する。この
形態はレーザーの秀れたモード性能に寄与すると信じら
れる。この形態のいま一つの利点は、高温の解離したレ
ーザーガスが電極の間の空間から自由に流れ出ることを
可能にすると同時に、より冷たいガスが入って放電を補
充することを可能にすることである。In contrast, according to the present invention, the device for supporting and insulating the electrodes is isolated from the discharge. In this way, the discharge has no sharp limits and presents a mild edge. This configuration is believed to contribute to the excellent mode performance of the laser. Another advantage of this configuration is that it allows hot dissociated laser gas to flow freely out of the space between the electrodes, while allowing cooler gas to enter and supplement the discharge. .
【００３３】電極支持構造のいま一つの局面において、
動作中の電極の熱膨脹に対処する考慮がなされる。従っ
て、電極の一端はハウジングの一端に固定取付けされ
る。電極の他端はハウジングの他端に滑動自在に取付け
られて、熱膨脹による運動を許している。In another aspect of the electrode support structure,
Considerations are taken to address thermal expansion of the electrodes during operation. Therefore, one end of the electrode is fixedly attached to one end of the housing. The other end of the electrode is slidably mounted on the other end of the housing to allow movement by thermal expansion.
【００３４】本発明はまた改良された冷却システムをも
含む。当然のことながら、レーザーの動作する動力が大
きくなれば、冷却がより重要となる。過去において、冷
却パイプが電極表面に取付けられるだけであった。本設
計では、冷却パイプは電極内に形成された通路の中にあ
る。さらに、パイプの材料と電極との間の熱膨脹係数の
違いによって生ずる応力を少なくするように、通路の具
体的箇所が設計される。冷却パイプはまた、高圧の電極
とアースされたレーザーハウジングとの間の短絡を少な
くするように設計される。The present invention also includes an improved cooling system. Of course, the more power the laser operates, the more important cooling becomes. In the past, cooling pipes were only attached to the electrode surface. In this design, the cooling pipe is in a passage formed in the electrode. In addition, specific locations of the passages are designed to reduce stresses caused by differences in the coefficient of thermal expansion between the pipe material and the electrodes. The cooling pipe is also designed to reduce short circuits between the high voltage electrodes and the grounded laser housing.
【００３５】本レーザーのいま一つの特徴は改良された
鏡組立体である。この鏡組立体は、真空シールを滑動さ
せる必要なしに、ハウジングの外側から共振器鏡の角度
を調整させる。Another feature of the present laser is an improved mirror assembly. This mirror assembly adjusts the angle of the resonator mirror from outside the housing without having to slide the vacuum seal.
【００３６】本レーザーのいま一つの特徴は、放電を予
めイオン化するのに使用する低圧水銀・アルゴンランプ
を含めたことである。ランプは低い動作電流において
も、信頼性をもってレーザーが始動するのを可能にす
る。Another feature of the present laser is that it includes a low-pressure mercury-argon lamp used to pre-ionize the discharge. The lamp allows the laser to start reliably, even at low operating currents.
【００３７】本レーザーは、組織の処置に特に適した、
短い高エネルギーパルスを発生する能力がある。The laser is particularly suitable for treating tissue,
Able to generate short high energy pulses.
【００３８】添付図面を参照しつつなされる以下の詳細
な説明から本発明のさらに他の目的と利点が明らかにな
るであろう。Further objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings.
【００３９】図１ないし図５を参照すると、本発明のＣ
Ｏ２スラブ導波管レーザー１０が図解される。レーザー
１０の主要部は、１対の端板２２，２４によって真空シ
ールされた円筒形アルミニウム・ハウジング２０を含
む。端板は本発明の調整自在の鏡取付け組立体２６，２
８を含む。鏡取付け組立体は共振器鏡３０，３２を支持
する。図３に示されるように鏡３０は、光を結合してキ
ャビティーの外に出すために、鏡３２よりも短い。鏡取
付け組立体２６はまた、鏡３０の端を横切ってハウジン
グの外に出る光を透過する窓３４を支持する。Referring to FIGS. 1 to 5, the C of the present invention is shown.
O 2 slab waveguide laser 10 is illustrated. The main portion of the laser 10 includes a cylindrical aluminum housing 20 vacuum sealed by a pair of end plates 22,24. The end plate is an adjustable mirror mounting assembly 26,2 of the present invention.
8 inclusive. The mirror mounting assembly supports the resonator mirrors 30,32. As shown in FIG. 3, mirror 30 is shorter than mirror 32 to couple light out of the cavity. The mirror mounting assembly 26 also supports a window 34 that allows light exiting the housing across the end of the mirror 30 to pass through.
【００４０】ハウジング２０内部に、１対の平板形アル
ミニウム上方及び下方電極３６，３８が取付けられる。
電極間の間隔Ｄ（図５）は、電極の対向する内面の間に
光が誘導されるように選定される。望ましい実施例にお
いて、間隔Ｄは２mmに等しい。本設計において、光反射
表面に直角な平面内に封じ込め要素がなにもないので、
レーザー光は単に共振器鏡３０，３２によって制御され
る自由空間内を自由に伝搬する。Inside the housing 20, a pair of flat aluminum upper and lower electrodes 36, 38 are mounted.
The spacing D between the electrodes (FIG. 5) is chosen such that light is guided between the opposing inner surfaces of the electrodes. In the preferred embodiment, the spacing D is equal to 2 mm. In this design, there are no containment elements in a plane perpendicular to the light reflecting surface,
The laser light simply propagates freely in free space controlled by the resonator mirrors 30,32.
【００４１】損失を少なくするために、電極の内方光反
射表面は．００２in（５０．８μ）以内の平面度に切削
される。そのうえ、表面仕上げは３２rmsミクロインチ
（０．８１３rms μ）の粗さである。図示の実施例にお
いて、各電極は、幅４４mm、厚さ１２mm、長さ６１．５
２cmである。In order to reduce losses, the inner light reflecting surface of the electrode is. It is cut to a flatness within 002 in (50.8 μ). In addition, the surface finish is 32 rms microinches (0.813 rms μ) roughness. In the illustrated embodiment, each electrode is 44 mm wide, 12 mm thick and 61.5 mm long.
2 cm.
【００４２】望ましい実施例において、レーザー発光媒
体は、主要波長１０．６μの放射線を発生する標準ＣＯ
２レーザー発光混合ガスである。混合ガスは、ヘリウ
ム、窒素及び２酸化炭素を３：１：１の比率で、それに
５％のゼノンを添加して、含む。ガスは５０〜１１０to
rr、望ましくは約８０torr程度の圧力に保たれる。ガス
は電極の間に無線周波数発振器を結合することによって
電気的に励振される。４kWより高い電力で８１．３６MH
zの出力を発生する標準ソリッドステートＲＦ発振器が
使用された。発振器を発光放電に整合させる適当なイン
ピーダンス整合回路網（図示せず）を用いて、発振器出
力がレーザーに結合される。本実施例において、取付け
点にできるだけ近くに配置される標準絶縁給電貫通線４
２を通して、一点においてＲＦ電流が熱電極３６に接続
される。In a preferred embodiment, the laser emitting medium is a standard CO 2 emitting radiation with a dominant wavelength of 10.6 μm.
2 is a laser-emitting mixed gas. The gas mixture contains helium, nitrogen and carbon dioxide in a ratio of 3: 1: 1 with the addition of 5% zenone. Gas is 50-110 to
rr, preferably at a pressure of about 80 torr. The gas is electrically excited by coupling a radio frequency oscillator between the electrodes. 81.36MHZ with power higher than 4kW
A standard solid state RF oscillator producing an output of z was used. The oscillator output is coupled to the laser using a suitable impedance matching network (not shown) that matches the oscillator to the luminescent discharge. In this embodiment, the standard insulated feed through wire 4 arranged as close as possible to the mounting point
2, the RF current is connected to the hot electrode 36 at one point.
【００４３】他方の電極３８とハウジング２０はアース
に接続される。複数のインダクタンスコイル４４が電極
間に電気接続されて、キャパシタンス効果を消去し、電
極に沿う電圧分布を制御する。望ましくは、誘導コイル
を付加された電極の共振周波数はＲＦ励振周波数の数MH
z以内である。The other electrode 38 and the housing 20 are connected to ground. A plurality of inductance coils 44 are electrically connected between the electrodes to eliminate capacitance effects and control voltage distribution along the electrodes. Preferably, the resonance frequency of the electrode to which the induction coil is added is several MH of the RF excitation frequency.
within z.
【００４４】前記のように、本レーザーは電極のための
改良された支持システムを含む。より具体的には、下方
電極３８は支持ブラケット５０を介して端板２４に結合
される。下方電極３８の他端は第２の支持ブラケット５
２によって支持される。第２の支持ブラケットは電極に
がっちり結合される。ブラケット５２の自由端はピン５
４を含み、ピンは端板２２にある補合する組合せ穴５６
の中に突き出る。ピンが穴に受承される長さは、レーザ
ーの動作中、電極３８の長さが変るのに従って、変る。
このように電極は、ゆがんで電極間の所要の隔離をかた
よらせるような態様で拘束されてはいない。As mentioned above, the present laser includes an improved support system for the electrodes. More specifically, lower electrode 38 is coupled to end plate 24 via support bracket 50. The other end of the lower electrode 38 is connected to the second support bracket 5.
2 supported. The second support bracket is securely coupled to the electrode. The free end of the bracket 52 is a pin 5
4 and the pins are in mating mating holes 56 in the end plate 22.
Stick out inside. The length that the pin is received in the hole changes as the length of the electrode 38 changes during operation of the laser.
Thus, the electrodes are not constrained in a manner to distort the required isolation between the electrodes.
【００４５】図示の実施例では、バネ５８が端板２２に
衝接する態様で第２の支持部材のピン５４の上に取付け
られる。バネは電極３８のアース接続を高めるための電
気接続を与える機能を有する。In the embodiment shown, a spring 58 is mounted on the pin 54 of the second support member in a manner abutting the end plate 22. The spring has the function of providing an electrical connection to enhance the earth connection of the electrode 38.
【００４６】前記のように、従来のスラブレーザーで
は、１対の電極が代表的に、長い絶縁ブロックにより隔
離され、このブロックも放電を封じ込めて、電界に鋭い
縁を与えた。対照的に、本レーザーでは、下方電極から
上方電極を支持する装置は、放電から隔置されているの
で、放電の側部がぼかされる。As described above, in conventional slab lasers, a pair of electrodes are typically separated by a long insulating block, which also contained the discharge and provided a sharp edge to the electric field. In contrast, in the present laser, the device supporting the upper electrode from the lower electrode is spaced from the discharge, so that the sides of the discharge are blurred.
【００４７】図６及び図７で良く判るように、支持装置
は複数の絶縁性ブラケット６０を含む。望ましい実施例
において、各側にただ３個づつの幅狭のブラケット６０
があるだけなので、放電は実質的にさえぎられない。さ
らにブラケットはほぼＵ字形をしているので、各ブラケ
ットの中心は放電から隔置される。この仕組みにより、
放電は電界だけによって封じ込められ、縁近くで、ずっ
と滑らかな密度の減少が生じる。この設計はモード性能
の改善に寄与すると信じられる。この形態のいま一つの
利点は、高温の解離したレーザーが電極間の空間から自
由に流れ出ると同時に、より冷たいガスが入って放電を
補充することができるようにすることである。この設計
のさらに一つの利点は、ハウジングに窓が設けられれ
ば、放電を観察できることである。As best seen in FIGS. 6 and 7, the support device includes a plurality of insulating brackets 60. In the preferred embodiment, there are only three narrow brackets 60 on each side.
The discharge is virtually uninterrupted. Furthermore, the brackets are generally U-shaped so that the center of each bracket is spaced from the discharge. With this mechanism,
The discharge is confined by the electric field alone, resulting in a much smoother density reduction near the edges. This design is believed to contribute to improved modal performance. Another advantage of this configuration is that the hot dissociated laser flows freely out of the space between the electrodes, while allowing a cooler gas to enter and supplement the discharge. A further advantage of this design is that the discharge can be observed if the housing is provided with a window.
【００４８】レーザーが高い動力において有効に動作す
るためには、電極から熱を運び去るための冷却システム
を設けなければならない。本発明において、冷却システ
ムは、１対の上方及び下方流体輸送銅パイプ７０，７２
を含む。パイブ７０，７２の端はハウジング２０の端板
２４を貫通し、それにアースされている。各パイプの端
部分はハウジングの内側表面近くを電極の長手に沿って
走る。各パイプは折り返して電極に沿って走る中央部分
を含む。In order for a laser to operate effectively at high power, a cooling system must be provided to carry heat away from the electrodes. In the present invention, the cooling system comprises a pair of upper and lower fluid transport copper pipes 70,72.
including. The ends of the pipes 70, 72 extend through the end plate 24 of the housing 20 and are grounded thereto. The end portion of each pipe runs near the inner surface of the housing along the length of the electrode. Each pipe includes a central portion that turns and runs along the electrodes.
【００４９】本発明によれば、電極の外側表面には、パ
イプを受承するための通路７６，７８が設けられる。望
ましくは、各通路の底はニッケルメッキされ、パイプ中
央部分７４，７５は通路の中にろう付けされて、熱伝導
を良くしている。通路の深さは、電極の幾何学中心に近
づくように仕組まれる。このやり方で、パイプと電極の
熱膨脹率の差によって生ずる応力によって起こるかもし
れない電極のゆがみは少なくされる。According to the invention, the outer surfaces of the electrodes are provided with passages 76, 78 for receiving pipes. Desirably, the bottom of each passage is nickel plated and the pipe center portions 74, 75 are brazed into the passage to improve heat transfer. The depth of the passage is designed to approach the geometric center of the electrode. In this manner, electrode distortion that may be caused by stresses caused by differences in the coefficient of thermal expansion between the pipe and the electrode is reduced.
【００５０】図２で良く判るように、両方のパイプの端
部分にＵ字形ベンド８２が設けられ、これらはまたひね
られて平面外に出ている。これらの部分は、パイプが熱
膨脹して動くための柔軟性をいくらか与える。As best seen in FIG. 2, U-bends 82 are provided at the ends of both pipes, which are also twisted out of plane. These sections provide some flexibility for the pipe to expand and move.
【００５１】上方冷却パイプ７０にはさらに１対の絶縁
部分８４が設けられる。絶縁部分８４は電気的に熱いパ
イプ中央部分７４を、電気的にアースされているパイプ
端部分から電気的に絶縁するように機能する。望ましい
実施例において、パイプ端部分はアースされたハウジン
グの極く近くに置かれる。パイプの電気的に熱い部分が
アースされたハウジングから隔置されて、熱い電極３６
に近づくように、絶縁部分８４は斜めに向けられる。The upper cooling pipe 70 is further provided with a pair of insulating portions 84. The insulating portion 84 functions to electrically insulate the electrically hot pipe center section 74 from the electrically grounded pipe end section. In a preferred embodiment, the pipe end is located very close to the grounded housing. An electrically hot section of the pipe is spaced from the grounded housing and hot electrode 36
, The insulating portion 84 is directed obliquely.
【００５２】以下により詳しく説明されるように、本レ
ーザーにおける鏡の間隔の選定は動力を最大にし、モー
ド制御を改善する上で大切である。鏡３０，３２を電極
の端から十分遠くに離して、放電による劣化を少なくす
ることが望まれる。他方、全体容器をかさばらせるほど
に鏡を遠くに離してはならない。まとめるという見地か
らのこの要求を満たすために、鏡をハウジング２０の中
に置くことが必要である。性能を最大にするために、密
封ハウジングの外側から鏡の角度を調整する装置を与え
る必要もある。As will be explained in more detail below, the choice of mirror spacing in the present laser is important in maximizing power and improving mode control. It is desirable to keep the mirrors 30, 32 far enough away from the ends of the electrodes to reduce degradation due to discharge. On the other hand, the mirror must not be far enough to make the whole container bulky. In order to meet this requirement from the standpoint of consolidation, it is necessary to place the mirror in the housing 20. To maximize performance, it is also necessary to provide a device for adjusting the angle of the mirror from outside the sealed housing.
【００５３】後者の目的は改良された鏡組立体２６，２
８の使用によって達成される。明らかに、これら２つの
組立体は機能的に同等品である。ただ一つの違いは、鏡
組立体２６がレーザー光を通すための窓３４を含むこと
である。The latter is intended for improved mirror assemblies 26,2.
8 is achieved. Obviously, these two assemblies are functionally equivalent. The only difference is that the mirror assembly 26 includes a window 34 for passing laser light.
【００５４】鏡組立体は図８ないし図１２に良く示され
る。各鏡組立体は端板２２，２４に形成され、円形溝９
０を含む。溝は、半径方向に延在する、平面形フレクシ
ャ区域９２を画成するのに十分な量だけ、端板の内方表
面に向って延在する。溝９０はまた、溝の半径方向内側
に傾け部材９４を画成する。The mirror assembly is better shown in FIGS. Each mirror assembly is formed in an end plate 22, 24 and has a circular groove 9
Contains 0. The grooves extend radially toward the inner surface of the endplate by an amount sufficient to define a planar flexure area 92. Groove 90 also defines a tilting member 94 radially inward of the groove.
【００５５】鏡組付け台９６は端板の内方表面にて、傾
け部材９４に結合される。明らかに、傾け部材の角度が
変ると、鏡取付け台９６の角度も同様に変る。The mirror mounting base 96 is connected to the tilting member 94 on the inner surface of the end plate. Obviously, as the angle of the tilting member changes, so does the angle of the mirror mount 96.
【００５６】鏡組立体は傾け部材の角度を調整する装置
を含む。より具体的には、図１０及び図１３で良く判る
ように、４本のピン９８が溝９０を通して傾け部材９４
に接触するように、端板に滑動自在に取付けられる。補
合する穴１０４にねじ係合するねじ部材１０２が各ピン
９８に連合する。ねじ部材１０２を回すことにより、連
合するピンは傾け部材９４に押付けられる。図８及び図
１１で判るように、ピンが傾け部材９４の中に押しこま
れると、傾け部材は半径方向フレクシャ領域の回りに回
転する傾向がある。ねじ部材とピンの位置を調整するこ
とにより、鏡はハウジングの外側から角度調整すること
ができる。The mirror assembly includes a device for adjusting the angle of the tilting member. More specifically, as best seen in FIGS. 10 and 13, four pins 98
Is slidably mounted on the end plate so as to contact the end plate. A threaded member 102 threadedly engaging a mating hole 104 is associated with each pin 98. By turning the screw member 102, the associated pin is pressed against the tilting member 94. As can be seen in FIGS. 8 and 11, when the pin is pushed into the tilting member 94, the tilting member tends to rotate about the radial flexure region. By adjusting the positions of the screw member and the pin, the mirror can be adjusted in angle from outside the housing.
【００５７】鏡３０，３２は鏡取付け台９６に固定取付
けされる。各鏡はシリコン基板を含み、これに金又は銀
の金属被膜が施され、その上に弗化トリウムと硫化亜鉛
の絶縁積層が上塗りされて、レーザー波長における鏡の
反射性を高める。鏡を劣化からさらに守るために、約２
μの厚みの極めて薄い上塗りを追加することができる。
上塗りの適当な材料は弗化トリウム又はゲルマニウムの
補足層を含む。ゲルマニウムは取扱いから生ずるような
種類のかき傷には良く耐えるが、高動力における吸収の
問題をより受け易い。補足被膜層は或る程度の損失増加
を生じ、これは寿命延長との釣合いをとらなければなら
ない。The mirrors 30 and 32 are fixedly mounted on a mirror mounting base 96. Each mirror includes a silicon substrate, which is coated with a gold or silver metal coating, and overcoated with an insulating stack of thorium fluoride and zinc sulfide to enhance the mirror's reflectivity at the laser wavelength. About 2 to further protect the mirror from deterioration
An extremely thin topcoat of μ thickness can be added.
Suitable overcoating materials include a thorium fluoride or germanium supplemental layer. Germanium is better able to withstand types of scratches arising from handling, but is more susceptible to absorption problems at high powers. The supplemental coating layer causes some loss increase, which must be balanced with extended life.
【００５８】前記のように、本レーザーの共振器構造に
よって安定性、出力及びモード制御が高められる。共振
器構造は、図３及び図４で良く判る。より具体的には、
図３に示すように、鏡３０，３２は、スラブ、つまり非
導波管次元に負分岐不安定共振器を画成する。平行光線
出力ビームを発生し、最大のレーザー効率を得るため
に、共焦点不安定共振器が所要の共振器形態である。前
記のように、鏡３０は鏡３２よりも短いので、光は結合
されて鏡３０の端、貫通口１１０及び窓３４を通って共
振器の外に出る。この共振器は負分岐不安定共振器と見
なされる。それはビームが光軸を奇数回数、この場合１
回、横切るからである。前記のように、従来技術のＣＯ
２スラブ導波管レーザーにおいては、正分岐不安定共振
器のみが使用された。従来の知恵にも拘らず、負分岐不
安定共振器はより高い性能を与える、と信じられる。As described above, the stability, output and mode control are enhanced by the resonator structure of the present laser. The resonator structure is better seen in FIGS. More specifically,
As shown in FIG. 3, mirrors 30, 32 define a slab, a negative branch unstable resonator in the non-waveguide dimension. A confocal unstable resonator is the required resonator configuration to generate a collimated light output beam and obtain maximum laser efficiency. As mentioned above, since mirror 30 is shorter than mirror 32, light is coupled out of the resonator through the end of mirror 30, through hole 110 and window 34. This resonator is regarded as a negative branch unstable resonator. That is, the beam travels the optical axis an odd number of times, in this case 1
Because it crosses times. As mentioned above, prior art CO 2
In the two- slab waveguide laser, only the positive branch unstable resonator was used. Despite conventional wisdom, it is believed that negative branch unstable resonators provide higher performance.
【００５９】共振器を設計する望ましい方法において、
利得媒体の望ましい長さを先ず決定した。つぎに所要の
出力結合を選択した。この場合、出力結合は１６％程度
であることが望ましい。これら２つの数字を用い、下記
の標準公式に基づき、２個の鏡の曲率半径が選定され
た： (1) （Ｒ１＋Ｒ２）／２＝共焦点状態で、平行光ビーム
の１回通しに利点媒体を充填するための鏡間隔 (2) （Ｍ−１）／Ｍ＝２１％（所要の出力結合） ただし、Ｍは倍率であり、次式で与えられる： (3) Ｒ２／Ｒ１＝倍率 電極の長さが６０cmの実施例では、全寸の鏡３２の曲率
半径は７３０mmであり、短い方の鏡３０のそれは５８０
mmであって、鏡の間隔は平均曲率半径の２分の１であ
る。両方の鏡ともに球面であるから、両方の次元に同じ
曲率半径を有する。In a preferred method of designing a resonator,
The desired length of the gain medium was first determined. Next, the required output coupling was selected. In this case, the output coupling is desirably about 16%. Using these two numbers, the radii of curvature of the two mirrors were selected based on the following standard formula: (1) (R 1 + R 2 ) / 2 = one pass of the parallel light beam in the confocal state (2) (M-1) / M = 21% (required output coupling) where M is a magnification and given by: (3) R 2 / R 1 = magnification In the embodiment where the electrode length is 60 cm, the radius of curvature of the full-size mirror 32 is 730 mm and that of the shorter mirror 30 is 580
mm, and the mirror spacing is one half of the average radius of curvature. Since both mirrors are spherical, they have the same radius of curvature in both dimensions.
【００６０】鏡の縁と放電の縁との間隔がビームの適正
部分を共振器から出させるように、短い鏡３０、つまり
出力鏡を切り落さなければならない。この鏡の寸法は、
電極の幅から縁効果と機械的公差のための小さな補正値
を減じた値によって決まる。出力ビームの幅が部分出力
結合に電極の有効幅を乗じたものになるように、小さな
鏡を切り取らなければならない。上記の例において、電
極の幅は、縁と機械公差のための１mmを含めて４４mmで
あった。よって出力ビームの幅は： (4) ０．２１×（４４−１）mm＝８．８mm ４０cmの電極を用いて実験が行われた。下記の負分岐不
安定共振器の設計が許容できると判った。The short mirror 30, the output mirror, must be cut off so that the distance between the mirror edge and the discharge edge causes the proper part of the beam to exit the resonator. The dimensions of this mirror are
It is determined by the width of the electrode minus a small correction for edge effects and mechanical tolerances. A small mirror must be cut off so that the width of the output beam is the partial output coupling times the effective width of the electrode. In the above example, the width of the electrode was 44 mm, including 1 mm for edges and mechanical tolerances. Therefore, the width of the output beam is: (4) 0.21 × (44-1) mm = 8.8 mm The experiment was performed using an electrode of 40 cm. The following negative branch unstable resonator design was found to be acceptable.
【００６１】 事例Ｉ 事例II 鏡３０の半径 ３８４mm ３７７mm 鏡３２の半径 ４２０mm ４３０mm 間隔Ｌ ４０２mm ４０３mmCase I Case II Radius of mirror 30 384 mm 377 mm Radius of mirror 32 420 mm 430 mm Spacing L 402 mm 403 mm
【００６２】図４は安定共振器が画成される導波管寸法
を図解する。前記のように、従来技術の導波管レーザー
においては、鏡は導波管の端の極く近くに、タイプＩ共
振器形態に近い、通常４mm未満の距離に置かれた。FIG. 4 illustrates the waveguide dimensions on which a stable resonator is defined. As mentioned above, in prior art waveguide lasers, the mirror was placed very close to the end of the waveguide, close to the type I resonator configuration, typically less than 4 mm.
【００６３】対照的に、本発明において導波管の端は鏡
から少なくとも１０mm、望ましくは２０mm離して隔置さ
れる。鏡の形状と配置に従来の理論を用いる代りに、先
ず不安定共振次元での共振器設計を最適化するのが望ま
しいと判った。鏡の位置と曲率半径が決定されたなら
ば、鏡の曲率を考慮して間隔を最適化するために、導波
管電極の実際の長さが決定される。より具体的には、ビ
ームが鏡に近づく時の波面の曲率半径が鏡の曲率半径に
一致するように、電極の端と鏡との間隔が選ばれる。In contrast, in the present invention, the end of the waveguide is spaced at least 10 mm, preferably 20 mm, from the mirror. Instead of using conventional theories for the shape and arrangement of the mirrors, it has been found desirable to first optimize the resonator design in the unstable resonance dimension. Once the position and radius of curvature of the mirror are determined, the actual length of the waveguide electrode is determined in order to optimize the spacing taking into account the curvature of the mirror. More specifically, the spacing between the end of the electrode and the mirror is chosen such that the radius of curvature of the wavefront as the beam approaches the mirror matches the radius of curvature of the mirror.
【００６４】波面の曲率半径と導波管端からの距離との
関係は図１４に図解される。この図において、光の波長
は１０．６μで、１．９mm四角の導波管から出る時に平
面形の波面を有し、光のモード構造は実質的にＴＥＭ
００モードと同等である、と仮定する。鏡の曲率半径が
既知であれば、所要の間隔を容易に一致させることがで
きる。この行き方は、回析による効果を除いて、実質的
に全ての光を導波管の中に戻すことになる。The relationship between the radius of curvature of the wavefront and the distance from the end of the waveguide is illustrated in FIG. In this figure, the light wavelength is 10.6 μm, has a planar wavefront as it exits the 1.9 mm square waveguide, and the light mode structure is substantially TEM.
Assume that it is equivalent to 00 mode. If the radius of curvature of the mirror is known, the required spacing can be easily matched. This approach will return substantially all of the light into the waveguide except for the effects of diffraction.
【００６５】この共振器設計の行き方は従来技術の教え
とは著しく異なることを理解すべきである。例えば、従
来の理論によれば、タイプIIの共振器で、使用する鏡の
曲率半径は８５０mmであり、導波管の端からの間隔は８
５０mmとなるであろう。タイプIIIの共振器では、導波
管の端から１３０mmの距離にある鏡の曲率半径は２６０
mmとなるであろう。従来理論を用い本発明の構造を解析
すると、損失は約１５％となるであろう。実験の結果、
本共振器構造は、従来技術で使用されたものと同じくら
いの効率であり、しかも安定性はより高く、劣化はより
少ないことを確認した。そのうえ、モード動作は高めら
れた。It should be understood that this approach to resonator design is significantly different from the teachings of the prior art. For example, according to conventional theory, in a type II resonator, the radius of curvature of the mirror used is 850 mm, and the distance from the end of the waveguide is 8 mm.
Will be 50mm. For a type III resonator, the radius of curvature of the mirror at a distance of 130 mm from the end of the waveguide is 260
mm. Using conventional theory to analyze the structure of the present invention, the loss would be about 15%. results of the experiment,
It has been found that the resonator structure is as efficient as that used in the prior art, more stable and less degraded. Moreover, mode operation has been enhanced.
【００６６】図１５は、パルスモードで動作している６
０cmスラブレーザーの平均出力対動作時間の曲線であ
る。ピークＲＦ入力は１２００Ｗ、パルス長さ５００μ
Ｓ、そして５０％デューティーサイクルである。ＲＦ入
力は８１．４MHzの周波数でこのレーザーに送られ、混
合ガスは、ヘリウム、ＣＯ２、窒素の比が３：１：１で
あり、５％のゼノンが添加される。このＲＦ及びガス混
合物のパラメータは、図１６ないし図１９に示す実験で
も同じである。図１５には導波管圧力もプロットされ、
この試験の期間にわたって５６torrから大きな変化を示
さない。FIG. 15 shows the operation in pulse mode 6.
5 is a curve of average power versus operating time of a 0 cm slab laser. Peak RF input is 1200W, pulse length 500μ
S, and 50% duty cycle. The RF input is sent to the laser at a frequency of 81.4 MHz, and the gas mixture has a helium, CO 2 , nitrogen ratio of 3: 1: 1 and 5% zenone added. The RF and gas mixture parameters are the same in the experiments shown in FIGS. FIG. 15 also plots the waveguide pressure,
It shows no significant change from 56 torr over the duration of this test.
【００６７】図１６は平均ＲＦ入力の関数としての６０
cmスラブレーザーの平均出力を示す。管の動作圧力は８
０torrであり、３００μＳのパルス長さと１０〜５０％
のデューティーサイクルで、パルスモードで動作した。
ピークＲＦ入力は３kWと４kWのピークに設定された。FIG. 16 shows a graph of 60 as a function of average RF input.
The average power of cm slab laser is shown. Tube operating pressure is 8
0 torr, pulse length of 300 μS and 10-50%
Operating in pulse mode with a duty cycle of
The peak RF input was set at 3 kW and 4 kW peak.
【００６８】図１７は、異なるパルス長さで管を動作さ
せる場合の、平均出力に与える影響を示す。これは１０
〜５０％の範囲のデューティーサイクルで、３０μＳと
３００μＳのパルス長さで、パルスモードで動作させ
た。FIG. 17 shows the effect on average power when operating tubes with different pulse lengths. This is 10
It was operated in pulse mode with a duty cycle in the range of ５０50% and pulse lengths of 30 μS and 300 μS.
【００６９】図１８は、様々なガス圧で、平均ＲＦ入力
を増した場合の、平均出力の変化を示す。４kWのピーク
入力と３００μＳパルス長さにおいて、様々なガス圧に
おける性能の大きな変化は約１８００Ｗの最高平均入力
の所でのみ生ずる。FIG. 18 shows the change in average output when the average RF input is increased at various gas pressures. At 4 kW peak input and 300 μS pulse length, significant changes in performance at various gas pressures occur only at the highest average input of about 1800 W.
【００７０】図１９はビームがレーザーから伝搬し離れ
るにつれてのビーム直径の変化を示す。約１００Ｗの出
力で作られた厚さ３／８in（９．５３mm）のプレキシグ
ラスのモード焼けあとを測定して、モード直径が決定さ
れた。ビーム直径対距離の曲線は導波管軸線と不安定共
振器軸線ともにＭ２１．２で一致することを示す。FIG. 19 shows the change in beam diameter as the beam propagates away from the laser. The modal diameter was determined by measuring the mode burn of a 3/8 inch (9.53 mm) thick plexiglass made at an output of about 100 W. The beam diameter versus distance curve shows that both the waveguide axis and the unstable resonator axis coincide at M 2 1.2.
【００７１】本レーザー設計の一利点は、それが高パル
スエネルギーを迅速に発生して維持することができるこ
とである。レーザーを医療処置に用いる時に、このこと
が大切であることがある。より具体的には、医療処置に
おいて、周囲の組織を熱流によって損傷させることな
く、組織の比較的大きい面積の表面を蒸発させることが
望まれる。これは、本レーザーからの短時間の高出力パ
ルスを用いて達成することができる。大抵の従来技術の
医療レーザーでは、パルス当り５０ミリジュール程度の
エネルギーを出すことができた。対照的に、本レーザー
は、５００Hzの反復率で、１ミリ秒に至るまでの、５０
０Ｗ（ジュール／秒）のピーク出力を発生し、これは過
去のものよりも１桁大きい。パルス当り５００ミリジュ
ールを出すことができる。One advantage of the present laser design is that it can quickly generate and maintain high pulse energy. This can be important when using lasers for medical procedures. More specifically, in medical procedures, it is desirable to evaporate a relatively large area surface of tissue without damaging the surrounding tissue by heat flow. This can be achieved using short high power pulses from the present laser. Most prior art medical lasers could deliver as much as 50 millijoules of energy per pulse. In contrast, the present laser has a repetition rate of 500 Hz, up to 50 milliseconds up to 1 millisecond.
It produces a peak power of 0 W (joules / second), which is an order of magnitude higher than in the past. 500 millijoules per pulse can be delivered.
【００７２】組織に対する実験において、パルス当りエ
ネルギーが１００ミリジュールを超える場合、ビームと
組織の相互作用の性質が変化することが判った。融除後
に残る組織は、焼焦げの欠除がより顕著で、損傷組織層
がより薄いことと結び付いて、遥かにきれいであること
が判った。所要パルス幅は１ミリ秒未満であるべきで、
望ましくは０．５ミリ秒に近い。１秒当り数１００パル
スまでの反復率で用いることができる。より普通の外科
処置の他に、火傷創縁除去にもそのような短い、高エネ
ルギーパルスを使用することができよう。Experiments on tissue have shown that when the energy per pulse exceeds 100 millijoules, the nature of the beam-tissue interaction changes. The tissue remaining after ablation was found to be much cleaner, with a more pronounced lack of scorch, coupled with a thinner damaged tissue layer. The required pulse width should be less than 1 millisecond,
Desirably close to 0.5 millisecond. It can be used with repetition rates up to several hundred pulses per second. In addition to more common surgical procedures, such short, high energy pulses could be used for burn wound removal.
【００７３】比較的高い出力レベルと速い反復率で動作
させる時は、代表的には、放電を発光させ、レーザーを
始動するのに十分な入力がある。しかし、低入力で（つ
まり平均入力１０Ｗ未満で）、低い反復率（つまりパル
ス生起の間が５０ミリ秒より長い）であれば、ＲＦ発振
器と未発光放電と間の不整合がそのエネルギーの供給を
困難にし、放電を励起するのに著しい遅れが生じ得る。
この問題を克服する一方法は、電源をシマーモード（si
mmer mode）で運転して放電発光と、レーザー発生最小
電力を維持することである。When operating at relatively high power levels and fast repetition rates, there is typically sufficient input to fire the discharge and start the laser. However, at low powers (i.e., less than 10 W average power) and at low repetition rates (i.e., more than 50 milliseconds between pulse occurrences), a mismatch between the RF oscillator and the non-emissive discharge will result in a supply of that energy. And there can be a significant delay in exciting the discharge.
One way to overcome this problem is to place the power supply in simmer mode (si
mmer mode) to maintain the discharge light emission and the minimum power generated by the laser.
【００７４】いま一つの行き方では、レーザーガスの解
離を促すために放電を初期イオン化する装置を与えるこ
とができる。望ましい実施例において、この装置は、ハ
ウジング内に取付けられ、図５に点線１１５で示される
ランプによって与えられる。ランプ１１０は、米国カリ
フォルニア州ラグナヒルズ（Laguna Hills）のジーライ
ト社（Jelight）から部品番号８１−３３０６−２で入
手し得る、低圧水銀アルゴン・クオーツランプである。
このランプからの紫外線光（１８５及び２５４nm）はガ
ス内の分子を解離して、放電を促すように働く。ランプ
の使用はまた、ガスをより高い圧力に保ち、出力を増大
させる。In another approach, a device can be provided to initially ionize the discharge to promote dissociation of the laser gas. In the preferred embodiment, the device is mounted in a housing and is provided by a lamp, shown in FIG. Lamp 110 is a low pressure mercury argon quartz lamp available from Jelight of Laguna Hills, California, USA under part number 81-3306-2.
Ultraviolet light (185 and 254 nm) from this lamp acts to dissociate molecules in the gas and promote discharge. The use of a lamp also keeps the gas at a higher pressure and increases power.
【００７５】製作されたレーザーにおいて、ランプは直
近の放電領域を超えて、熱電極の上方に取付けられる。
もしも、紫外線がより直接に放電に到達できるような箇
所に取付けられたとすれば、より高い効率が得られたで
あろう。ハウジングの外側に、紫外線をハウジングの中
に送る窓に対向させてランプを取付けることも可能であ
ろう。In the fabricated laser, the lamp is mounted above the hot electrode, beyond the immediate discharge area.
Higher efficiency would have been obtained if it had been mounted where UV radiation could reach the discharge more directly. It would also be possible to mount the lamp on the outside of the housing, opposite the window that sends the UV light into the housing.
【００７６】図４に示すように、ＲＦエネルギーを熱電
極の一端に結合することができる。この行き方は、短
い、４０cm程度の電極に適していることが判った。６０
cmの電極が使用された時、ＲＦエネルギーが電極の長手
の中心に結合されると、性能が良くなることが判った。
もっと長尺のレーザーの試験において、電極の長さがＲ
Ｆ波の長さに一致し始めるので、一箇所だけのＲＦエネ
ルギーの供給は不均一な放電を生ずることが判った。As shown in FIG. 4, RF energy can be coupled to one end of the hot electrode. This way was found to be suitable for short, about 40 cm electrodes. 60
It has been found that when cm electrodes are used, performance is better if RF energy is coupled to the center of the length of the electrodes.
In testing longer lasers, the electrode length is R
It has been found that supplying RF energy at only one location results in a non-uniform discharge since it begins to coincide with the length of the F-wave.
【００７７】従って、電極長さが８０cm以上の時、２つ
以上の箇所でＲＦエネルギーを電極に結合することが望
まれる。しかし、２つの箇所でレーザーに結合されるＲ
Ｆエネルギーは等位相でなければならない。図２０はこ
の結果を得るための一つの行き方を図解する。Thus, when the electrode length is 80 cm or more, it is desirable to couple RF energy to the electrode at two or more locations. However, R coupled to the laser at two points
The F energies must be in phase. FIG. 20 illustrates one way to achieve this result.
【００７８】図２０のレーザーは１対の電極１２０，１
２２を含む。ＲＦエネルギーは２箇所で熱電極１２０に
結合される。増幅器を等位相に保つ１個の共通の発振器
１２８により駆動される１対の増幅器１２４，１２６に
よってエネルギーが発生される。増幅器からの出力は個
別のインピータンス整合回路網１３２，１３４を通し
て、熱電極に送られる。増幅器とレーザー管によって与
えられる負荷との相互作用を制限するために、増幅器１
２４，１２６とそれぞれの整合回路網１３２，１３４と
の間にコンバイナ１３６を介在させて、各増幅器がレー
ザーに等しい動力を与えることができるようにすること
ができる。２つの箇所で電極１２０に送られるエネルギ
ーが同位相になることを保証するために、全ての電気リ
ード線は同じ長さとするべきである。この行き方を用い
れば、より安定で均質の放電を保つことができる。The laser shown in FIG. 20 has a pair of electrodes 120, 1
22. The RF energy is coupled to the hot electrode 120 at two locations. Energy is generated by a pair of amplifiers 124, 126 driven by a common oscillator 128 that keeps the amplifiers in phase. The output from the amplifier is passed through separate impedance matching networks 132, 134 to the hot electrodes. To limit the interaction between the amplifier and the load provided by the laser tube, the amplifier 1
A combiner 136 may be interposed between 24, 126 and respective matching networks 132, 134 so that each amplifier can provide equal power to the laser. All electrical leads should be the same length to ensure that the energy delivered to the electrode 120 at the two locations is in phase. By using this method, a more stable and homogeneous discharge can be maintained.
【００７９】図示されないが、鏡の劣化を減らす補助的
機構は導波管電極の端にセラミック・スペーサを追加す
ることであろう。このセラミック・スペーサは光を誘導
する機能を依然として有するものの、放電はアルミニウ
ム電極の端で終るであろう。このセラミック材は中性及
びイオン化分子破片と相互作用して、鏡の表面に向う拡
散を減ずるであろう。これら分子破片が鏡表面に向って
拡散されたままにされると、鏡表面の劣化を導くと信じ
られる。[0079] Although not shown, an auxiliary mechanism to reduce mirror degradation would be to add a ceramic spacer at the end of the waveguide electrode. Although the ceramic spacer still has the ability to direct light, the discharge will end at the end of the aluminum electrode. This ceramic material will interact with the neutral and ionized molecular debris and reduce diffusion towards the mirror surface. It is believed that if these molecular fragments are left diffused toward the mirror surface, it will lead to degradation of the mirror surface.
【００８０】まとめとして、ＣＯ２スラブ導波管レーザ
ーが開示された。このレーザーは、対向する光反射表面
を有する１対の隔置された電極を含む。電極は反射表面
に垂直な平面内に光を誘導するように次元が決められ
る。反射表面に平行な光は共振器鏡による以外は拘束さ
れない。共振器構造は、非導波管次元内に負分岐不安定
共振器を含む。安定共振器が導波管次元内に使用される
が、導波管端からの鏡の間隔は、部分的に、不安定共振
器の形態に基づく。In summary, a CO 2 slab waveguide laser has been disclosed. The laser includes a pair of spaced electrodes having opposing light reflecting surfaces. The electrodes are dimensioned to direct light in a plane perpendicular to the reflective surface. Light parallel to the reflecting surface is not constrained except by the resonator mirror. The resonator structure includes a negative branch unstable resonator in a non-waveguide dimension. Although a stable resonator is used in the waveguide dimension, the spacing of the mirror from the waveguide end is based in part on the configuration of the unstable resonator.
【００８１】放電を封じ込めることなく、電極を隔置さ
れた向きに保つために、独特の支持構造が開示される。
レーザーを冷却し、部品の熱膨脹に対応するために、い
っそうの改良が開示される。最後に、鏡の傾き角をハウ
ジング外部から変えさせる改良された調整自在鏡組立体
が設けられる。A unique support structure is disclosed to keep the electrodes in a spaced orientation without confining the discharge.
Further improvements are disclosed to cool the laser and accommodate thermal expansion of the part. Finally, an improved adjustable mirror assembly is provided which allows the mirror to be tilted from outside the housing.
【００８２】本レーザーは組織の処置に適した、短い、
高エネルギーパルスを発生する能力がある。The laser is suitable for treating tissue,
Has the ability to generate high energy pulses.
【００８３】望ましい実施例を引用して本発明を説明し
たけれども、特許請求の範囲に定義された本発明の範囲
と精神を逸脱することなく、様々な変更と変形を当業者
が行うことができるであろう。Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments, workers skilled in the art will recognize that various changes and modifications can be made without departing from the scope and spirit of the invention as defined in the appended claims. Will.
【図１】本発明のＣＯ２スラブ導波管レーザーの部分断
面斜視図である。FIG. 1 is a partial cross-sectional perspective view of a CO 2 slab waveguide laser of the present invention.
【図２】本発明のＣＯ２スラブ導波管レーザーの分解斜
視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view of a CO 2 slab waveguide laser of the present invention.
【図３】図１の３−３線に沿う、本発明のＣＯ２スラブ
導波管レーザーの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the CO 2 slab waveguide laser of the present invention, taken along line 3-3 in FIG.
【図４】図３の４−４線に沿う、本発明のＣＯ２スラブ
導波管レーザーの断面図である。4 is a cross-sectional view of the CO 2 slab waveguide laser of the present invention, taken along line 4-4 in FIG.
【図５】図１の５−５線に沿う、本発明のＣＯ２スラブ
導波管レーザーの断面図である。FIG. 5 is a sectional view of the CO 2 slab waveguide laser of the present invention, taken along line 5-5 in FIG. 1;
【図６】図５の６−６線に沿う、本発明のＣＯ２スラブ
導波管レーザーの断面図である。6 is a cross-sectional view of the CO 2 slab waveguide laser of the present invention, taken along line 6-6 of FIG.
【図７】本発明のＣＯ２スラブ導波管レーザーの電極支
持システムの一部分の分解図である。FIG. 7 is an exploded view of a portion of a CO 2 slab waveguide laser electrode support system of the present invention.
【図８】図１の８−８線に沿う、本発明のレーザーの鏡
取付け台と出力窓の断面図である。FIG. 8 is a sectional view of the mirror mount and the output window of the laser of the present invention, taken along line 8-8 in FIG. 1;
【図９】図８の９−９線に沿う、本発明のレーザーの鏡
取付け台の断面図である。9 is a cross-sectional view of the laser mirror mount of the present invention, taken along line 9-9 of FIG.
【図１０】図８の１０−１０線に沿う、本発明のレーザ
ーの鏡取付け台と出力窓の断面図である。FIG. 10 is a sectional view of the mirror mount and output window of the laser of the present invention, taken along line 10-10 in FIG. 8;
【図１１】図１の１１−１１線に沿う、本発明のレーザ
ーの他方の鏡取付け台の断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of the other mirror mount of the laser of the present invention, taken along line 11-11 of FIG. 1;
【図１２】図１１の１２−１２線に沿う、本発明のレー
ザーの鏡取付け台の断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view of the laser mirror mount of the present invention, taken along line 12-12 of FIG. 11;
【図１３】図１１の１３−１３線に沿う、本発明のレー
ザーの鏡取付け台の断面図である。FIG. 13 is a sectional view of the laser mirror mount of the present invention, taken along line 13-13 of FIG. 11;
【図１４】導波管の端からの距離の関数としての波面の
半径のプロット図である。FIG. 14 is a plot of the radius of the wavefront as a function of distance from the end of the waveguide.
【図１５】本発明によって構成されたレーザーの動作時
間に対する平均出力のプロット図である。FIG. 15 is a plot of average power versus operating time of a laser constructed in accordance with the present invention.
【図１６】レーザーのＲＦ入力の関数としての平均出力
のプロット図である。FIG. 16 is a plot of the average power as a function of the RF input of the laser.
【図１７】異なるパルス長さの効果を示す、図１６に似
たプロット図である。FIG. 17 is a plot similar to FIG. 16, showing the effect of different pulse lengths.
【図１８】レーザー内の異なるガス圧の効果を示す、図
１６に似たプロット図である。FIG. 18 is a plot similar to FIG. 16, showing the effect of different gas pressures in the laser.
【図１９】本発明によって構成されたレーザーの端から
伝搬するにつれて変るビーム直径を示すプロット図であ
る。FIG. 19 is a plot illustrating the beam diameter as it propagates from the end of a laser constructed in accordance with the present invention.
【図２０】熱電極上の多重箇所へのＲＦ励起エネルギー
の結合を示す説明図である。FIG. 20 is an explanatory diagram showing coupling of RF excitation energy to multiple points on a hot electrode.
１０ レーザー ２０ ハウジング ２６，２８ 鏡取付け組立体 ３０，３２ 鏡 ３６ 上方（熱）電極 ３８ 下方（接地）電極 ７０，７２ 冷却パイプ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Laser 20 Housing 26, 28 Mirror mounting assembly 30, 32 Mirror 36 Upper (thermal) electrode 38 Lower (ground) electrode 70, 72 Cooling pipe
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョゼフ・ダラローザ アメリカ合衆国、94062 カリフォルニア 州レッドウッド・シティー、ベイビュー 711 (72)発明者 フィリップ・ガードナー アメリカ合衆国、95615 カリフォルニア 州クパーチーノ、ドレイク・ドライブ 19690 (72)発明者 ウェイン・エス・メファード アメリカ合衆国、94022 カリフォルニア 州ロス・アルトス・ヒルズ、ミランダ・ロ ード 14500 (72)発明者 ジェイ・マイケル・ヤーボロー アメリカ合衆国、85718 アリゾナ州タス コン、ノース・プラシタ・ペクエナ 6437 Ｆターム(参考） 5F071 AA05 BB01 CC01 CC03 CC07 DD05 DD08 FF08 GG03 JJ03 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Joseph Dallarosa United States, 94062 Redwood City, CA, Bayview 711 (72) Inventor Philip Gardner, United States, 95615 Cupertino, CA, Drake Drive 19690 (72) Inventor Who Wayne S. Mephard United States, 94022 Miranda Road, Los Altos Hills, California 14500 (72) Inventor Jay Michael Yarborough United States, 85718 Tascon, Arizona, North Plasita Pequena 6437 F-term ( Reference) 5F071 AA05 BB01 CC01 CC03 CC07 DD05 DD08 FF08 GG03 JJ03
Claims (3)
の細長い導電性の電極であって、該電極間に放電領域を
形成しかつ該電極間にレーザー光を案内するように設け
た電極と、 前記電極間に位置するレーザー用のガスと、 前記ガスを励起させるために前記一対の電極に通電する
手段と、 前記一対の電極の両端の近くに位置して共振器を形成す
る一対の鏡と、 一方の電極の端部に位置する少なくとも１つの非導電性
のスペーサであって、レーザー光を案内し、かつ鏡の劣
化を減少させるために前記電極の放電の拡散を抑制する
スペーサとを、含んでなるスラブレーザー。1. A pair of elongated conductive electrodes which are located on one plane and are spaced apart from each other, wherein said electrodes are provided so as to form a discharge region between said electrodes and to guide laser light between said electrodes. A gas for laser positioned between the electrodes, a means for energizing the pair of electrodes to excite the gas, and a pair of resonators located near both ends of the pair of electrodes to form a resonator. A mirror and at least one non-conductive spacer located at the end of one of the electrodes, the spacer guiding the laser light and suppressing the diffusion of the discharge of said electrodes to reduce the deterioration of the mirror; , Comprising a slab laser.
請求項１のレーザー。2. The laser according to claim 1, wherein said spacer is made of a ceramic material.
のうちの一方の電極の両端に位置する請求項１のレーザ
ー。3. The laser according to claim 1, wherein said non-conductive spacer is located at both ends of one of said pair of electrodes.
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