JP7492726B2 - パルスレーザー発振装置 - Google Patents
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Description
本発明は、短パルス化された高出力のパルスレーザー光を出力することのできるパルスレーザー発振装置に関する。
近年、色素系（メラニン色素）皮膚病変のレーザー治療用としてナノ秒パルスよりも短い、サブナノ秒（数百ピコ秒）のレーザー光を用いた治療が注目されている。これはナノ秒レーザー治療で基本をなした選択的光熱乖離理論だけでなく、サブナノ秒のパルス光によって誘導される衝撃波が色素に作用して破砕効果が出現し、レーザー光と衝撃波の協調作用により、より安全で有効な治療法として考えられているためである。
従来、ナノ秒パルスのレーザー発振法として以下の３つの方法が知られている。
（１）飽和吸収体を用いた受動Ｑスイッチ発振（過飽和吸収特性）を利用するものであり、この方法では、パルス幅を短くすると光損失が大きくなり光出力が小さくなる問題がある。
（２）超音波振動によるブラッグ散乱を用いたＡＯＱスイッチ発振（ブラッグ散乱特性）を利用するものであり、これはダンピング特性が良くないため、パルス幅が長く、小出力となる。
（３）ポッケルスセル等を用いたＥＯＱスイッチ発振（偏光特性）を利用するものであり、この方法は、ダンピング特性が良く、パルス幅が短く、大出力の対応が可能である。
（１）飽和吸収体を用いた受動Ｑスイッチ発振（過飽和吸収特性）を利用するものであり、この方法では、パルス幅を短くすると光損失が大きくなり光出力が小さくなる問題がある。
（２）超音波振動によるブラッグ散乱を用いたＡＯＱスイッチ発振（ブラッグ散乱特性）を利用するものであり、これはダンピング特性が良くないため、パルス幅が長く、小出力となる。
（３）ポッケルスセル等を用いたＥＯＱスイッチ発振（偏光特性）を利用するものであり、この方法は、ダンピング特性が良く、パルス幅が短く、大出力の対応が可能である。
その他にピコ秒パルスのレーザー発振法としては以下の方法がある。
（４）モードロック発振によるものであり、この方法では共振器の縦モードを１点でロックするため、数百ｋＨｚ以上のピコ秒パルスを発生することができるが、パルスエネルギーは１ｍＪ以下と小出力である。
（４）モードロック発振によるものであり、この方法では共振器の縦モードを１点でロックするため、数百ｋＨｚ以上のピコ秒パルスを発生することができるが、パルスエネルギーは１ｍＪ以下と小出力である。
皮膚治療に必要な０．１Ｊ以上のパルスエネルギーで、衝撃波を誘導するためにピコ秒パルス光を出すために、（４）の方法を用いた場合には、パルスエネルギーの大きい数百ｋＨｚ以上のピコ秒パルスを発生させることができるが、数Ｈｚにパルスを間引いた後、数段の光増幅器で増幅する等、複雑で大きなレーザー発振器が必要になる。
ここで、上記（１）の方法について詳述する。図４にレーザー光を発振する受動Ｑスイッチを用いたレーザー発振装置を示す。
レーザー発振装置の中心軸上に、出力鏡１０５、ＹＡＧロッド等のレーザー媒質１０２、受動Ｑスイッチとしての過飽和吸収体１０３、リア鏡１０４を配置し、レーザー媒質１０２に対向してフラッシュランプ等の励起源１０１を配置するものである。
レーザー発振装置の中心軸上に、出力鏡１０５、ＹＡＧロッド等のレーザー媒質１０２、受動Ｑスイッチとしての過飽和吸収体１０３、リア鏡１０４を配置し、レーザー媒質１０２に対向してフラッシュランプ等の励起源１０１を配置するものである。
励起源１０１からの励起光によりレーザー媒質１０２が励起され、このレーザー媒質１０２から出る光が過飽和吸収体１０３に入射する。過飽和吸収体１０３の透過光強度が低く、レーザー発振を抑制する状態にある場合には、リア鏡１０４と出力鏡１０５との間でレーザー発振は起きず、レーザー媒質１０２内にエネルギーの蓄積が起こる。エネルギーの蓄積が開始され、レーザー媒質１０２で励起が開始されてから、例えば１００～３００μ秒経過した後に、過飽和吸収体１０３の透過光強度が高まり、レーザー発振を許容する状態になると、リア鏡１０４と出力鏡１０５との間でレーザー発振が起き、発振レーザー光が出力鏡１０５から出射される。
図５は受動Ｑスイッチを用いたレーザー発振装置のタイムチャートである。
同図に示すように、励起源１０１からレーザー媒質１０２に励起光が出射される。励起光の初期の段階では、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、過飽和吸収体１０３が光非飽和の基底状態吸収損失の状態にあるため、過飽和吸収体１０３は光吸収体として作動し、レーザー媒質１０２内にエネルギーが蓄積される。過飽和吸収体１０３が光飽和し透過光強度が上昇し、透明体となった瞬間、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、過飽和吸収体１０３は光飽和の励起状態吸収損失の状態となり、レーザー媒質１０２に蓄積されたエネルギーが一気に開放され、図５（ｄ）に示すようなレーザーパルス光が発生する。
同図に示すように、励起源１０１からレーザー媒質１０２に励起光が出射される。励起光の初期の段階では、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、過飽和吸収体１０３が光非飽和の基底状態吸収損失の状態にあるため、過飽和吸収体１０３は光吸収体として作動し、レーザー媒質１０２内にエネルギーが蓄積される。過飽和吸収体１０３が光飽和し透過光強度が上昇し、透明体となった瞬間、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、過飽和吸収体１０３は光飽和の励起状態吸収損失の状態となり、レーザー媒質１０２に蓄積されたエネルギーが一気に開放され、図５（ｄ）に示すようなレーザーパルス光が発生する。
しかし、この受動Ｑスイッチを用いたいレーザー発振装置は、出力されるパルス幅は小さいが、過飽和吸収体１０３において光吸収があるため大出力パルスを取り出すことが難しい。また、過飽和吸収体１０３はパラメータ（吸収定数、吸収長）が固定されるのでＱスイッチ発振の条件が固定されてしまう。また、パルス発振のタイミングは励起強度に依存し、ジッターが大きい。また、過飽和吸収体１０３は、レーザー共振器としての構成上、レーザー媒質１０２に近接して配置されるため、励起直後から自然放射による光吸収が起こり、過飽和吸収体１０３が早い時期に飽和するため、結果として、過飽和特性が遅れ、短パルス化が難しいという問題がある。
本発明は、上記の点に鑑み、皮膚治療に必要な０．１Ｊ以上のパルスエネルギーで、衝撃波を誘導するためにパルス光を出すために、受動Ｑスイッチ発振とＥＯＱスイッチ発振のＱスイッチ発振の協調作用により、サブナノ秒のパルスレーザー光を得る光学回路を有するパルスレーザー発振装置を提供することにある。
前記課題を達成するために、本発明のパルスレーザー発振装置は、レーザー共振器の中心軸上に、出力鏡と、レーザー媒質と、ＥＯＱスイッチ光回路と、過飽和吸収体と、リア鏡との順序に配置され、前記レーザー媒質に対向して励起源が配置されており、前記ＥＯＱスイッチ光回路と前記過飽和吸収体との間に、偏光面制御による光路切替回路を設け、前記光路切替回路によって一方の光路が選択された場合は前記ＥＯＱスイッチ光回路と前記過飽和吸収体とによるサブナノ秒発振を可能とし、前記光路切替回路によって他方の光路が選択された場合は前記ＥＯＱスイッチ光回路によるナノ秒発振を可能とすることを特徴とする。
前記過飽和吸収体は、レーザー媒質に対して、レーザー共振器として機能し得る範囲にあって、前記ＥＯＱスイッチ光回路の前記リア鏡側の遠方に配置されていることを特徴とする。
ＥＯＱスイッチ発振と過飽和吸収体による受動Ｑスイッチ発振とのＱスイッチ発振の協調作用により、サブナノ秒の短パルスレーザー光を得る共に、高エネルギーのパルスレーザー光を出力することのできるパルスレーザー発振装置を提供することができる。
図１に本発明の第１の実施形態に係るレーザー発振装置を示す。
同図に示すように、レーザー共振器１の中心軸上に、出力鏡９、ＹＡＧロッド等のレーザー媒質３、偏光板４とポッケルスセル等のＥＯＱスイッチ５と偏光板６等からなるＥＯＱスイッチ光回路、レーザー媒質３からＥＯＱスイッチ光回路を介して離間された位置に配置された過飽和吸収体７、リア鏡８の順序で配置され、レーザー媒質３に対向してフラッシュランプ等の励起源２が配置される。
同図に示すように、レーザー共振器１の中心軸上に、出力鏡９、ＹＡＧロッド等のレーザー媒質３、偏光板４とポッケルスセル等のＥＯＱスイッチ５と偏光板６等からなるＥＯＱスイッチ光回路、レーザー媒質３からＥＯＱスイッチ光回路を介して離間された位置に配置された過飽和吸収体７、リア鏡８の順序で配置され、レーザー媒質３に対向してフラッシュランプ等の励起源２が配置される。
ＥＯＱスイッチ５に用いるポケルスセル（Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃ素子：電気光学素子）は、ＡＤＰ等の結晶に電界をかけることにより発生する直交成分の屈折率変化を利用して偏光面を制御するものである。ＥＯＱスイッチ光回路は、ＥＯＱスイッチ５に、偏光板４、６と共に用いるものであり、Ｐ波偏光でＱ値が大きくなる特性を持たせ、ＥＯＱスイッチ５に電圧を印加してＳ波偏光に制御することにより、Ｑ値を大きく下げる。この間、レーザー媒質３内にエネルギーを蓄積させ、瞬間的に電圧を切ることによりＰ波偏光に戻して、レーザー共振器１のＱ値を上げ、蓄積したエネルギーを一気に開放し、ジャイアントパルスの発生を可能とする。ＥＯＱスイッチ５を用いると、偏光面を制御するため高強度光領域でもＱ値を下げられ、また、印加する電界（電圧）を可変できるのでゲイン側のパラメータ変化に対応することができる。
さらに、ＥＯＱスイッチ光回路と過飽和吸収体７とを協調させて、上記のジャイアントパルスの発生過程において、ジャイアントパルスを過飽和吸収体７に入射するようにする。過飽和吸収体７はジャイアントパルスが入射された初期の段階では、透過光強度が低く、ジャイアントパルスの透過が抑制されている状態にあるので、リア鏡８と出力鏡９との間ではレーザー発振は起きない。過飽和吸収体７がジャイアントパルスを吸収して透過光強度が高まり、レーザー発振が許容されると、リア鏡８と出力鏡９との間でレーザー発振が起き、発振レーザー光が出力鏡９から出射される。
図２は図１に示したレーザー発振装置のタイムチャートである。
図２（ａ）に示すように、励起源２からレーザー媒質３に励起光が入射される。励起光の初期の段階では、図２（ｂ）に示すように、ＥＯＱスイッチ５に電圧を印加してＳ波偏光に制御することにより、Ｑ値を大きく下げ、レーザー媒質３内にエネルギーを蓄積させる。図２（ｃ）に示すように、ＥＯＱスイッチ５の電圧を瞬間的に切って、Ｐ波偏光に戻し、レーザー共振器１のＱ値を上げ、蓄積したエネルギーを一気に開放することにより、ジャイアントパルスの発生が可能とする。発生したジャイアントパルスが過飽和吸収体７に入射されると、図２（ｄ）示すように、ジャイアントパルスの初期の段階においては、過飽和吸収体７は光非飽和の基底状態吸収損失の状態にあるため、光吸収体として機能する。その後、過飽和吸収体７が光飽和して透過光強度が上がり透明体となった瞬間、図２（ｄ）に示すように、過飽和吸収体７は光飽和の励起状態吸収損失の状態となり、過飽和吸収体７に蓄積されたエネルギーが一気に開放され、図２（ｅ）に示すように、短パルス化されたジャイアントパルスを発生することができる。
図２（ａ）に示すように、励起源２からレーザー媒質３に励起光が入射される。励起光の初期の段階では、図２（ｂ）に示すように、ＥＯＱスイッチ５に電圧を印加してＳ波偏光に制御することにより、Ｑ値を大きく下げ、レーザー媒質３内にエネルギーを蓄積させる。図２（ｃ）に示すように、ＥＯＱスイッチ５の電圧を瞬間的に切って、Ｐ波偏光に戻し、レーザー共振器１のＱ値を上げ、蓄積したエネルギーを一気に開放することにより、ジャイアントパルスの発生が可能とする。発生したジャイアントパルスが過飽和吸収体７に入射されると、図２（ｄ）示すように、ジャイアントパルスの初期の段階においては、過飽和吸収体７は光非飽和の基底状態吸収損失の状態にあるため、光吸収体として機能する。その後、過飽和吸収体７が光飽和して透過光強度が上がり透明体となった瞬間、図２（ｄ）に示すように、過飽和吸収体７は光飽和の励起状態吸収損失の状態となり、過飽和吸収体７に蓄積されたエネルギーが一気に開放され、図２（ｅ）に示すように、短パルス化されたジャイアントパルスを発生することができる。
このレーザー発振装置によれば、受動Ｑスイッチとして過飽和吸収体７を用いているが、ＥＯＱスイッチ光回路と受動Ｑスイッチとを協調させることにより、ＥＯＱスイッチ発振によるナノ秒パルスをサブナノ秒パルスに短縮することを実現している。過飽和吸収体７は、高強度光へ光ダンピング特性が悪く、パラメータが固定され、発振閾値の励起強度は固定される等の欠点があるが、ＥＯＱスイッチ発振は光ダンピング強度が高く、パラメータは設定電圧で可変できる利点を有するので、両者をレーザー共振器に組み込み協調してＱスイッチ発振することにより、ＱＳＷパラメータを可変し、ＥＯＱスイッチパルスを更に短縮したパルス幅を得ることができる。得られたパルスはＥＯＱスイッチ発振に起点を持っているので、ジッターが小さいという利点を有する。
また、通常、過飽和吸収体をレーザー共振器内に配置した一般的な受動Ｑスイッチレーザーにおいては、過飽和吸収体をレーザー媒質（利得媒質）に接近させて配置するため、励起直後にレーザー媒質より発生する自然放射を過飽和吸収体が吸収し、光学損失の減少カーブが緩慢となり、ＱＳＷ発振のパルス幅が延びる。それに対して本発明によれば、レーザー共振器１内において、レーザー媒質３に対して、過飽和吸収体７が、レーザー共振器として機能し得る範囲にあって、ＥＯＱスイッチ光回路のリア鏡８側の遠方に配置されているので、過飽和吸収体７がＥＯＱスイッチゲートを通過した光のみを吸収するため、光学損失の減少カーブが急峻となり、ＱＳＷ発振のパルス幅が短くすることができる。
次に、図３に本発明の第２の実施形態に係るレーザー発振装置を示す。
同図に示すように、レーザー共振器１０の中心軸上に、出力鏡９、ＹＡＧロッド等のレーザー媒質３、偏光板４とポッケルスセル等の第１のＥＯＱスイッチ１１と偏光板６等からなるＥＯＱスイッチ光回路、第２のＥＯＱスイッチ１２と偏光フィルタ１３からなる光路切替回路、レーザー媒質３に対して、レーザー共振器１０として機能し得る範囲にあって、光路切替回路の第１のリア鏡１４側の遠方に配置されている過飽和吸収体７、第１のリア鏡１４が配置され、偏光フィルタ１３から分岐された光路に第２のリア鏡１５が配置され、レーザー媒質３に対向してフラッシュランプ等の励起源２が配置されている。
同図に示すように、レーザー共振器１０の中心軸上に、出力鏡９、ＹＡＧロッド等のレーザー媒質３、偏光板４とポッケルスセル等の第１のＥＯＱスイッチ１１と偏光板６等からなるＥＯＱスイッチ光回路、第２のＥＯＱスイッチ１２と偏光フィルタ１３からなる光路切替回路、レーザー媒質３に対して、レーザー共振器１０として機能し得る範囲にあって、光路切替回路の第１のリア鏡１４側の遠方に配置されている過飽和吸収体７、第１のリア鏡１４が配置され、偏光フィルタ１３から分岐された光路に第２のリア鏡１５が配置され、レーザー媒質３に対向してフラッシュランプ等の励起源２が配置されている。
図３に示すレーザー発振装置によれば、レーザー共振器１０内には、出力鏡９、レーザー媒質３、ＥＯＱスイッチ光回路、光路切替回路、過飽和吸収体７、第１のリア鏡１４、第２のリア鏡１５が配置されている。第２のＥＯＱスイッチ１２の電圧を制御して光路切替回路を切替えて、第２のＥＯＱスイッチ１２がオフの時Ｐ波偏光となり、Ｐ波偏光は偏光フィルタ１３を通過して、過飽和吸収体７、第１のリア鏡１４の光路が選択されたレーザー共振器が構成された場合には、第１の実施形態において示したサブナノ秒パルス発振器が構成される。また、光路切替回路を切替えて、第２のＥＯＱスイッチ１２がオンの時Ｓ波偏光となり、Ｓ波偏光は偏光フィルタ１３に反射されて、第２のリア鏡１５の光路が選択されたレーザー共振器が構成された場合には、ナノ秒パルス発振器が構成される。このように、本実施形態に係るレーザー発振装置によれば、サブナノ秒パルス発振器とナノ秒パルス発振器とを容易に切替えることができる。
１ レーザー共振器
２ 励起源
３ レーザー媒質
４ 偏光板
５ ＥＯＱスイッチ
６ 偏光板
７ 過飽和吸収体
８ リア鏡
９ 出力鏡
１０ レーザー共振器
１１ 第１のＥＯＱスイッチ
１２ 第２のＥＯＱスイッチ
１３ 偏光フィルタ
１４ 第１のリア鏡
１５ 第２のリア鏡
２ 励起源
３ レーザー媒質
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５ ＥＯＱスイッチ
６ 偏光板
７ 過飽和吸収体
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１１ 第１のＥＯＱスイッチ
１２ 第２のＥＯＱスイッチ
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Claims (2)
- レーザー共振器の中心軸上に、出力鏡と、レーザー媒質と、ＥＯＱスイッチ光回路と、過飽和吸収体と、リア鏡との順序に配置され、前記レーザー媒質に対向して励起源が配置されており、
前記ＥＯＱスイッチ光回路と前記過飽和吸収体との間に、偏光面制御による光路切替回路を設け、前記光路切替回路によって一方の光路が選択された場合は前記ＥＯＱスイッチ光回路と前記過飽和吸収体とによるサブナノ秒発振を可能とし、前記光路切替回路によって他方の光路が選択された場合は前記ＥＯＱスイッチ光回路によるナノ秒発振を可能とすることを特徴とするパルスレーザー発振装置。 - 前記過飽和吸収体は、レーザー媒質に対して、レーザー共振器として機能し得る範囲にあって、前記ＥＯＱスイッチ光回路の前記リア鏡側の遠方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載されたパルスレーザー発振装置。
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