KR20000076271A - 외과용 단펄스 중적외선 파라메트릭 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단펄스 중적외선을 이용하는 외과용 레이저 파라메트릭 발생기에 관한 것이다. 실질적으로 미크론 이하 수준으로 적합한 비선형 결정(15)에서 파라메트릭하게 다운 전환되는 중적외선은 네오디뮴 도핑된 레이저와 같은 펌프 레이저 광원(20)에 의해 생성될 수 있다. 단펄스는 원하지 않는 열 작용을 감소시키며, 잠재적으로는 미크론 이하 수준에 인접한 수준에서 변화된다. 파라메트릭하게 전환된 광원은 바람직하게는 3.0㎛에서 또는 그 근방에서, 바람직하게는 조직과 관련된 최대 물 흡수에 밀접한 파장에서 25ns 미만의 펄스 지속 시간을 생기게 한다. 요망되는 중적외선 파장으로의 다운 전환은 바람직하게는 KTP 또는 이의 동형체와 같은 비선형 결정(15)에 의해 생성된다. 바람직한 구체예로서, 비임계적으로 페이즈 매칭된 결정은 880 내지 900nm에서 또는 그 근방에서 방출되는 근적외선 레이저 광원으로부터의 파장을 요망되는 2.9 내지 3.0㎛ 파장 범위로 이동시키는데 이용된다. 섬유, 섬유 다발, 또는 광학 파라메트릭 오실레이션(OPO) 캐비티로부터 펌프 레이저를 분리시키는데 사용되는 또 다른 도파관 수단도 본 발명의 일부로서 또한 포함된다.

Description

외과용 단펄스 중적외선 파라메트릭 발생기 {SHORT PULSE MID-INFRARED PARAMETRIC GENERATOR FOR SURGERY}
배경 기술
눈의 각막을 재형상화하기 위한 광굴절 각막절제술(PRK)은 최근에 시력 결함을 교정하기 위한 효과적인 수단으로서 광범위하게 이용되었다. 이러한 방법은 일반적으로 자외선(UV), 전형적으로는 193nm의 ArF 엑시머 레이저를 사용하여 일정 용적의 조직을 제거하는 것을 기본으로 한다. 이러한 단파장에서, 높은 광에너지는 광화학 분해로서 공지된 방법으로서 분자내 결합을 직접적으로 끊을 것이다. 이러한 광화학 메카니즘에 기초한 조직 절제는 수술 부위에 인접한 세포에서의 부대적인 열손상을 최소화시키는 장점을 갖는다. 또한, 분해되는 깊이는 매우 작으며, 전형적으로는 1 미크론 미만이어서, UV 광으로부터 하부 구조에 대한 손상을 최소화시키면서 정확하게 조직을 제거한다.
엑시머 기본 방법이 각막 절제의 안전하며 효과적인 방법으로서 수립되었지만, 이러한 방법은 높은 초기 비용 및 유지 비용, 대규모 및 복잡한 광학 빔 전달 시스템, 불소 및 오존 기체 생성으로 인한 안전 위험성, 및 영속적인 신뢰성 문제를 포함하는 다수의 결함을 갖는다. 더욱이, 고출력 UV 광의 잠재적인 광독성은 엑시머 레이저 기본 PRK에서 여전히 미확인 위험으로 존재한다. 특히, UV 광이 이차적인 형광 효과로 인한 특정의 뮤타겐 발생 및 백내장 발생 위험을 안고 있다는 데 관심이 모아진다.
각막 굴절 수술을 수행하기 위한 엑시머 레이저에 대하여 최근에 제안된 대안은 각막의 주성분인 물의 흡수 피크에 상응하는 약 3㎛의 광을 사용하는 중적외선 파장에서의 절제를 포함한다. 이러한 대안적인 시스템에서 앞서 기술된 관심은 적외선이, 보다 용이한 취급을 제공하며 보다 싸고 보다 치밀하며, UV 파장과 관련된 독성 기체 또는 뮤타겐 발생 부작용으로 인한 잠재적인 어떠한 안전 사항도 제거하면서 보다 우수한 신뢰 특징을 갖는 고체 상태 기술로 생성될 수 있다는 것이다. 고체 상태 레이저, 특히 에르븀: YAG (Er:YAG) 레이저는 수중에서 13000cm-1이상의 흡수 계수에 상응하는 2.94㎛ 파장의 광을 방출한다. 이러한 높은 흡수는 잠재적으로 2㎛ 미만의 투과 깊이로 비교적 작은 충격 영역을 생성시킨다. 엑시머 레이저와 관련된 광절제 메카니즘, 즉, 광화학 분해와는 대조적으로, 에르븀 파장에서 절제는 물 분자의 광 증발, 즉 광열 증발에 연유된다. 이러한 방법은 본질적으로 광분해 보다 효과적이어서, 한번에 조직을 3미크론까지 제거하여 보다 신속한 수술을 할 수 있도록 한다. 이러한 시스템은 예를 들어 문헌[T. Seiler and J. Wollensak, "Fundamental Mode Photoablation of the Cornea for Myopic Correction", Lasers and Light in Ophthalmology, 5,4, 199-203 (1993)]에서 제안되었다. 펄스식 3㎛ Er: YAG 레이저를 사용하여 조직 제거량을 조절하기 위한 조각 필터에 의존하는 또 다른 시스템은 코진(Cozean) 등의 PCT 출원 제 93/14817호에 기술되어 있다. 그러나, 자유 유동 또는 긴 펄스 에르븀 레이저에 기초한 안구 외과 기술이 약간 기대할 만 하였지만, 이러한 기술은 IR 광이 절제 영역에 인접한 조직에 대한 부대적인 열 손상(손상 영역의 크기는 수 미크론을 초과하지 않을 수 있음)을 야기시켜 잠재적으로 요망되지 않는 장기적 영향을 미친다는 사실과 관련되는 다수의 결함을 갖는다.
최근에, 수십의 나노초 보다 짧은 펄스 지속 시간을 갖는 레이저가 덜 우세한 열 효과를 나타낼 것이라는 것이 인지되었다. 특히, 광파쇄(photospallation)로서 공지된 직접적인 조직 상호작용 효과가 적외선 파장에서 관찰되었으며, 이에 의해 보다 짧은 펄스로, 광이 인접한 비조사된 조직에 대한 무시할 수 있을 정도의 효과를 생성시키는 조사된 조직과 배타적으로 상호작용한다. 광파쇄는 투사광의 빠른 흡수 및 각막 조직에 의한 후속적인 팽창으로부터 생성되는 광기계적 절제이다. 이러한 팽창 다음에 조직의 제거를 유발시키는 양극 충격파가 생성된다. 조직을 제거하는 광파쇄 메카니즘을 직접 이용하는 각막 수술을 수행하기 위한 방법 및 장치의 상세한 설명은 본 발명의 모출원인 미국특허출원 제 08/549,385에 기술되어 있으며, 이는 본원에 참조로 인용된다. 상기 특허출원에 기술된 방법 및 장치는 비교적 저에너지 레이저를 사용하여 처리 영역의 균일한 조사를 허용하는 일정 영역의 각막에 대하여 주사되는 중적외선을 방출하는 단펄스(바람직하게는 50ns 미만) 고체 상태 레이저를 바람직하게는 약 2.94㎛에서 이용한다. 모출원에서 지적된 바와 같이, 이러한 적용을 위한 바람직한 레이저 광원은 전달 시스템의 세부에 따라서 30mJ 이하의 출력 에너지 및 100Hz 이하의 반복 속도를 가질 것이다.
2.94㎛에서 작동되는 에르븀 도핑된 레이저는 상기 레이저 광원에 대한 한가지 선택이다. 치밀하며 신뢰할 수 있을 정도의 Q 전환식 에르븀 레이저는 본 출원인의 공동 계류중인 특허출원 제 08/549,358호에 기술되어 있다. 심지어 미래의 다이오드 펌핑의 도움에도 불구하고 이의 단순성 때문에 매우 흥미를 끌지만, 강한 열 복굴절 효과로 인해 높은 반복 주파수(30H 초과)로 에르븀 레이저 작동을 확대하기에는 어려울 수 있다. 기본 수준 동력학 및 긴 레이저 상위 수준 수명의 제한은 Q 전환식 모드로 작동되는 에르븀 기재 레이저에서 20ns의 펄스 지속시간에 실제적으로 보다 낮은 한계를 부과하는 광학 성분 코팅에 피크-동력 손상과 상호작용할 수 있다.
보다 짤은 펄스(20ns 미만)가 광파쇄 절제 방법의 퍼센트를 증가시켜 원하지 않는 열 효과로부터 조직 절제에 대한 나머지 기여도를 추가로 감소시키는 것이 가능하다는 것을 인지하는 경우에, PRK의 요건을 안전하게 및 효과적으로 부합시킬 수 있는 가장 짧은 펄스 고체 상태 중적외선 레이저 광원을 구성시키는 것이 바람직하다. 이상적으로, 이러한 레이저 광원은 장치의 비용 및 복잡성을 실질적으로 증가시키거나 이의 신뢰성을 절충시키지 않으면서 높은 반복 주파수(약 100Hz)로 증가시킬 수 있을 것이다.
1.06㎛에서 또는 그 근방에서 작동되는 Nd:YAG 레이저와 같은 표준 네오디뮴 도핑된 레이저로부터 조사 주파수를 시프트다운시킬 수 있는 광학적 파라메트릭한 오실레이터(OPO)는 본 출원인의 공동계류중인 미국특허출원 제 08/549,385호에서 중적외선 파장에서 원하는 파라미터를 얻기 위한 대안적인 방법으로서 제안되었다. 그러나, 고려되는 안구 외과 수술의 모든 요건을 충족시킬 수 있는 어떠한 장치도 현재까지 사용되지 않았다. 예를 들어, IR 범위에서 출력되는 1미크론 레이저에 의해 펌핑되는 효과적인 OPO가 리튬 니오베이트(LiNbO3) 및 칼륨 티타닐 포스페이트(KTiOPO4또는 "KTP")와 같은 다수의 상이한 비선형 결정을 사용하여 최근에야 나타났다. 관심을 끄는 3㎛ 파장 근처의 파라메트릭한 오실레이션의 예는 100Hz의 단일 모드 펌프 빔에 의해 펌핑되는 LiNbO3를 사용하는, 3.5㎛에서 고출력 방사선(8W)의 발생[참고문헌: A. Englander and R. Lavi, OSA Proceedings on Advanced Solid-State Lasers, Memphis, Tennessee, 1995, p. 163] 및 비임계적 페이즈 매치 형태에서 KTP를 사용하는, 3.2㎛에서 0.2W 출력의 발생[참조예: K.Kato in IEEE. J. Quantum Electronics. 27, 1137 (1991)]을 포함한다. NiNbO3및 KTP의 두 개의 용이하게 사용될 수 있는 후보 결정이 앞서의 파장 범위에서 흡수를 나타내기 때문에 원하는 2.9 내지 3.0㎛으로 출력되는 광학적 파라메트릭한 장치의 실현은 어렵다고 간주되었다. 특히 NiNbO3의 사용은 현재 성장 방법을 사용하여 결정내에 존재하는 OH 결합으로 인해 3.0㎛에서 또는 근방에서의 흡수 때문에 실행될 수 있는 것으로 간주되지 않는다. OPO 디자인의 그 밖의 결점은 파라메트릭한 방법의 개시에 대한 높은 한계를 극복할 수 있는 강력하고, 빔의 질이 높은 펌프 공급원에 대한 인지되는 요건을 포함한다. 펌프 빔을 집속시킴으로써 펌프 출력 밀도를 증가시키는 유효성이 비선형 결정의 워크오프 각(walk-off angle)에 의해 제한받기 때문에, 한계 조건은 대부분의 결정에서 단순히 작은 펌프 빔 파라미터를 사용함으로써 극복될 수 없다. 이러한 문제를 회피하는 한 방법은 비임계적으로 페이즈 매칭될 수 있는 결정(예, KTP)을 사용하여 보다 높은 허용각을 생성시키는 방법이지만, 이러한 형태는 성공적인 PRK 방법에 대하여 요구되는 1㎛ 펌프 빔 파장 및 출력 파장에 대해서는 가능하지 않다. 그러나, 2.9-3.0㎛ 범위에서의 출력과 비임계적 페이즈 매칭은 0.88 내지 0.9㎛에서 펌핑되는 KTP(x-컷)에서는 실행될 수 있다. 그러나, 이러한 파장 범위에서의 레이저 방출은 1미크론 또는 그 근방에서 표준 네오디뮴 도핑된 레이저 보다 더 복잡하고 비용이 많이 든다.
의학용 레이저 장비의 경우, 펌프 레이저에 대해 지나치게 엄격한 요건을 부과하는 것은 보다 복잡하고 비용이 많이 드는 시스템을 초래하기 때문에 일반적으로 바람직하지 않다. 이상적으로는, 상업적으로 시판될 수 있는 다중모드 방식의 가우시안 또는 최상의 빔 프로파일이라면 바람직할 것이다. 그러나, 본 발명이 있기 전에는, 실질적인 발산을 지닐 수 있는 이러한 펌프 시스템이 OPO 결정 및/또는 커플링 광학을 손상시키지 않으면서 필수적인 출력 에너지를 발생시킬 것이라는 것이 불분명하였다. 또한, 가우시안 공간 프로파일 빔의 경우에, 결정을 가로지르는 피크 동력 밀도의 고르지 못한 분포는 파라메트릭한 발생에 상당히 기여하는 빔의 일부만을 유도하여 전환 효율을 절충시킬 수 없다. 더욱이, 3.0㎛에서 실질적인 것으로 공지되어 있는 KTP에서의 흡수는 상승된 평균 동력 수준 및/또는 높은 반복 속도에서 작동시키는데 특히 관심을 끄는 또 다른 문제다. 이들 및 그 밖의 이유로 인해 실제 출력 에너지 및 반복 속도의 펄스화된 2.9-3.0㎛ 방사선의 OPO 공급원의 실현이 현재까지 억제되었다.
본 발명은 앞서의 어려움을 극복하는, 2.94㎛에서 또는 그 근방에서 짧은 펄스 방사선을 생성시키는 특정의 장치를 기술하고 있다. 이러한 장치는 PRK 및 그 밖의 미소수술을 수행하여, 다수의 사람에 대한 이러한 방법의 유용성을 크게 증가시키는데 유일하게 적합하다. 더욱이, 장치를 특정적으로 조정하게 되면, 선택된 중적외선 파장에서 집중된 펄스화된 빔이 장점을 나타내는 그 밖의 특정 안구 방법에서도 사용될 수 있다. 이들 방법은 레이저 공막조공술, 육주성형술, 및 유리체 및/또는 망막 수술을 포함한다. 이들 방법에서 정확하며 고도로 편재된 조직 절제를 수행하기 위한 수단이 바람직하다. 예를 들어, 레이저 보조된 유리체 망막 수술의 경우에, 2.94㎛에서 중적외선의 적용은 유리체막을 절개하고 필수 망막외 조직을 절제하는데 잠재적인 수축 없는 수기, 얕은 관통 깊이 및 정밀성을 제공한다. [참고문헌: J.E. Berger, et al., in SPIE, vol.2673, 1994, p. 146]. 더욱이, 본원에 기술된 단펄스를 사용함으로써, 보다 낮은 영향력 수준에서 수술이 효과적으로 수행될 수 있어서 프로브 기하학에 대한 요건을 완화시킨다. 눈의 전방 실로부터 결막하 공간으로 누공이 생기는, 외부로부터의 공막조공술과 같은 녹내장 여과 방법에 있어서, 나노초, 308mm에서 엑시머 레이저로부터의 저에너지 펄스의 적용은 다수의 중한 환자를 치료하는데 매우 유리한 것으로 입증되었다. [참고문헌: J. Kampmeier et al.. in Ophthalmolge, 90, p. 35-39, 1993]. 이러한 방법의 유사한 유효성은 공막의 높은 흡수 특성으로 인해 적적외선 파장에 대하여 기대된다. 현재까지 미소 안구 수술에서 중적외선 레이저 방사선의 광범위한 사용을 저지하는 주요 문제는 표적 조직으로 에너지를 전달하는데 적합한 섬유가 없다는 것이다. 그러나, 이러한 분야에서 최근의 개발은 지르코늄 플루오르화물, 사파이어 은 할로겐화물 및 중공 도파관 기술을 포함하는 다수의 잠재적인 섬유 기술에서 최고점에 달했다. 손상 한계에 대한 추가의 개선에 있어서, 충분히 유연하며 손실이 적은 섬유 및 적합한 프로브가 저에너지(〈20mJ) 적용에 대하여 심지어 단펄스, 3미크론 방사선의 전달을 취급할 수 있는 아주 가까운 미래에 이용될 수 있는 것으로 보인다. 이와 같은 섬유 전달 시스템의 출현은 일반적인 내시경에 의한 미소 수술에서 매우 관심을 끄는 단펄스 중적외선의 사용을 가능하게 할 수 있다. 특히, 뇌, 정시 및 척수 수술과 같은 의학 과정은 본 발명의 시스템과 관련된 광기계적 절제에 의해 발생된 고도로 편재된 효과로부터 이롭게 될 수 있는데, 그 이유는 연루된 조직의 민감한 성질이 주위 조직에 부대적인 열 손상을 제한하기 때문이다. 물론, 레이저의 광학 파라미터는 적용분야, 조직 형태 및 요망 효과에 따라 다를 수 있다. 그런나, 이점에 있어서, OPO 레이저는 파장 및 펄스 지속시간의 변화를 포함하는 유용 가능한 출력에 의해 큰 유연성을 제공한다는 장점을 갖는다.
발명의 요약
따라서, 본 발명의 목적은 신규하며 개선된 외과용 장치, 즉, 각막 굴절 수술을 수행하는데 특히 적합한 신규하며 개선된 외과용 장치를 제공하는 데에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 Nd:YAG 레이저와 같은 네오디뮴 도핑된 레이저로부터 방사선의 파라메트릭한 다운 전환(down-conversion)에 의해 생성된 단펄스 중적외선을 이용하는 기본으로 한, 광굴절 레이저 수술의 신규하며 개선된 방법을 용이하게 하는데 있다.
단펄스는 적외선에 의해 생성된 상호 영향 부위의 바람직하지 않은 불규칙한 에지를 초래할 수 있는 인접 조직의 원하지 않는 변화 및 특히 열 작용을 감소시키는데 결정적인 것으로 보인다. 펄스가 충분히 짧으면, 열 손상은 잠재적으로 미크론 이하 수준으로 감소될 수 있으며, 그 결과 굴절 외과 수술에서 공통적으로 사용되는 딥-UV 레이저에 의해 생성되는 절제 가능한 광분해와 동일한 임상 지시를 초래한다. 결과적으로, 3.0㎛에서 또는 그 근방에서, 바람직하게는 물 흡수율이 최대인 2.94㎛에 가까운 파장에서 25ns 미만의 펄스 지속시간을 레이저 광원에 제공하는 것은 본 발명의 중요한 일면이다.
본 발명의 또 다른 목적은 네오디뮴 도핑된 레이저의 파장을 3.0㎛ 근방의 중적외선 파장 범위로 시프트시키기 위해 KTP 또는 이의 동형체와 같은 비선형 결정에 기초한 OPO를 이용하는 신규하며 개선된 레이저 외과용 장치를 제공하는 데에 있다. 대안적인 구체예로서, 이와 관련된 목적은 비임계적 페이즈 매칭된 결정을 제공하여 약 880-900nm에서 또는 그 근방에서 방출되는 근적외선 레이저 광원의 파장으로부터 요망되는 3.0㎛ 파장 범위로 시프트시키는 데에 있다.
본 발명의 더욱 또 다른 목적은 OPO 캐비티 파라미터를 이용하여 수십 밀리주울(mJ) 수준으로 증가될 수 있는 펄스 에너지를 갖는 안정한 출력을 생성시키면서 중간 정도 동력의 용이하게 이용될 수 있는 펌프 빔을 수용하는 데에 있다. OPO 레이저의 바람직한 구체예로서, 가우시안 또는 최상 공간 프로파일 및 회절 한계의 다수배 범위의 발산을 갖는 단일 또는 다중 모드인 펌프 빔이라면 최소의 엘리먼트를 갖는 단순한 광학 형태를 유지시키면서 모두 수용될 수 있을 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 OPO 배열에서, 1미크론에서 또는 그 근방에서의 파장에서 200mM 이상의 에너지 출력값을 갖는 단펄스 펌프 빔이 10Hz를 초과하는 반복 속도, 바람직하게는 50Hz에 근접한 속도에서 손상없이 수용될 수 있도록 손상 한계를 증가시키기 위한 수단을 제공하는 데에 있다. 관련된 목적은 중적외선 범위에서 요망되는 출력에 대한 가장 낮은 펌프 한계를 초래하도록 최적의 OPO 배열을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 더욱 또 다른 목적은 섬유 또는 섬유 다발 또는 그 밖의 일부 도파관 수단을 사용하여 OPO 캐비티로부터 펌프 레이저를 분리시켜 굴절 수술을 수행하기 위한 신규한 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다. 그 다음, OPO 부분은 외과의사에게 환자의 눈에 광을 전달하기 위한 최적의 유연성을 제공하도록 수술 현미경에 고정될 수 있다.
본 발명의 보다 완전한 이해, 및 본 발명의 추가의 특징 및 장점은 발명의 상세한 설명 및 도면을 참조하여 얻어질 것이다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명에 따른 OPO 레이저 장치의 바람직한 구체예를 개략적으로 도시하는 다이아그램이다.
도 2는 L 형상의 배열을 사용하는 OPO 레이저 광원의 대안적인 구체예를 개략적으로 도시하는 다이아그램이다.
도 3은 단일 통과 펌프 빔을 사용하는 OPO의 또 다른 대안적인 구체예를 개략적으로 도시하는 다이아그램이다.
도 4는 고리 배열로 단일 통과 펌프 빔을 사용하는 더욱 또 다른 대안적인 구체예를 개략적으로 도시하는 다이아그램이다.
도 5는 펌프 빔이 OPO에 섬유 커플링되는 OPO 레이저 광원의 바람직한 구체예를 개략적으로 도시하는 다이아그램이다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 광파쇄 메카니즘을 토대로 한 최적의 조직 제거에 매칭되는 특성을 갖는 빔을 얻도록 선택되는 파라미터를 갖는 중적외선 레이저 광원을 제공한다. 최적으로, 레이저 빔은 각각이 10Hz 이상, 바람직하게는 50Hz 이상의 반복 속도에서 1mJ 보다 큰 에너지가 방출되는, 지속 시간이 25ns 미만인 일련의 불연속적인 펄스를 포함한다. 높은 반복 속도는 개선된 수술 결과를 얻기 위해 보다 우수한 오버랩 파라미터를 갖는 작은 스팟 크기가 사용되도록 하면서 의학적인 과정의 지속 시간을 최소화시키는데 필요로 된다. 펄스 지속 시간의 결정적인 특성은 광파쇄 방법에 대한 한계와 관련되며, 이러한 한계는 펄스 지속 시간이 감소되어 저에너지 밀도(또는, 영향력)가 절제하는데 사용될 수 있을 정도로 보다 낮을 것이라 예상된다. 일반적으로, 에너지 밀도가 낮으면 낮을수록, 절제 부위를 둘러싸고 있는 조직에 대한 열 손상은 덜 일어날 것이다. 이것은 UV 방사선을 사용하여 현재 수득되는 결과와 유사한 임상 결과로 고도로 편재된 절제 부위를 생성시키는데 중요한 인자이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 중적외선 레이저 광원(1)은 바람직하게는, 1미크론에서 또는 그 근방에서 짧은 레이저 펄스(바람직하게는 30ns 미만)로 구성되는 펌프 빔(50)을 발생시키는 네오디뮴 도핑된 레이저 광원 펌프(20)를 포함하며, 상기 방사선은 광학 파라메트릭한 오실레이터(OPO)를 통해 중적외선 파장 범위로 다운 전환된다. OPO(10)는 반사경(12,16) 및 비선형 결정(15)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 레이저 펄스에 대한 비선형 결정(15)의효과는 공지된 방식으로 두 개의 빔을 생성시킨다. 특히, OPO의 출력은 아이들러(idler) 빔(52) 및 시그날 빔(54)을 포함한다. 하나의 특정 OPO의 작동과 관련된 상세한 설명은 미국특허 제 5,181,211호에 기술되어 있으며, 상기 특허문헌은 본원에 참조로 인용된다.
굴절 수술을 위해, 요망되는 파장은 아이들러 빔(52)의 파장이며, 바람직하게는 2.89 내지2.98㎛ 범위의 파장이다. 1.064㎛에서 Nd:YAG 펌프 빔의 예에서, 시그날 빔(54)의 상응하는 파장은 1.68 내지 1.66㎛이다. 그러나, 2.94㎛ 물 흡수 피크 근처의 파장이 특히 PRK 적용에 대하여 바람직하지만, 약 2.75 내지 3.0㎛를 약간 넘는 범위의 아이들러 파장도 본 발명의 범위에 속하며, 특정 파장이 외과 적용의 요건에 필적하도록 선택되는 것이 이해되어야 할 것이다.
아이들러 빔(52)은 2색성 빔 스플리터(35)로부터 반사된 후, 빔 전달 광학장치(40)로 유도되며, 상기 광학 장치는 바람직한 구체예로서 각막상의 다양한 지점에서 선택적으로 조직을 제거하여 각막이 예측 가능한 조절 방식으로 변화되게 하는 이미징 및 스캐너 수단을 포함할 수 있다. 이러한 수단은 본원에 참조로 인용되어 있는 본 출원인의 공동계류중인 모출원, 미국특허출원 제 08/549,385호에 기술되어 있으며, 이는 본 발명에 결정적인 것으로 간주되지는 않는다. 시그날 빔(54)은 빔 스플리터(35)를 통해 빔 덤프(32)로 전달된다. 나머지 시그날 빔(54)의 추가의 감쇠는 시그날 빔(54)으로부터 전달 시스템(40)으로의 시그날 파장의 어떠한 커플링도 저지하기 위해 아이들러 빔(52)의 통로에 위치할 수 있는 감쇠기(34)로서 집합적으로 나타내어지는 추가의 반사재에 의해 제공될 수 있다.
도 1에 도시된 구체예에서, OPO 캐비티내에 반사경(12), 결정(15) 및 반사경(16)의 코팅 및 위치선정은 아이들러 파장을 생성시키는데 최적화되고, 추가로 처리하기 위해 결정내로 펌프 빔(50)의 비전환된 부분의 후방 반사를 사용하는 부가된 특징을 갖는 단독 공명 오실레이터(SRO) 배열을 포함하도록 선택된다. 이와 같이, 반사경(12)은 1.0 내지 1.1㎛ 파장의 높은 전달 및 2.8 내지 3.0㎛ 아이들러 파장의 높은 반사를 위해 코팅된다. 반사경(16)은 2.8 내지 3.0㎛ 파장에 대하여 부분적인 반사도 및 시그날 빔(54)에 특성적인 1.65 내지 1.7㎛ 파장에서 높은 전달률을 갖도록 코팅된다. 이와 같이, 시그날 빔(54)은 반사 없이 오실레이터 캐비티를 통해 통과하며, 반면에 아이들러 빔(52)은 중적외선 파장에서 최대 출력을 보장하도록 공명된다. 바람직하게는, 반사경(16)은 1.0 내지 1.1㎛ 펌프 파장에서 높은 반사율을 갖도록 코팅된다. 그러나, 이러한 마지막의 높은 반사율을 제공하는 것은 필수적이지 않지만, 이러한 반사는 파라메트릭한 방법을 위해 에너지 한계를 저하시킴으로써 장치의 보다 효과적인 조작을 위해서는 유리할 수 있다.
SRO에 대안적인 배열은 더블리 레조넌트 오실레이션(DRO)의 배열이며, 여기에서 아이들러 및 시그날 파 둘 모두 공명된다. 일반적으로, DRO는 보다 낮은 오실레이션 한계를 갖는 것으로 공지되어 있지만, 보다 복잡한 반사경 코팅 및 약간은 보다 어려운 배열 과정의 결함을 갖는다. 그럼에도 불구하고, SRO는 성분의 보다 큰 단순성 및 보다 낮은 비용으로 인해 바람직하지만, DRO 배열은 실질적으로 감소된 오실레이션 한계가 장점을 나타내는 경우에 대해서 대안적인 구체예로서 간주된다. DRO 출력이 SRO 출력 보다 덜 안정한 것으로 공지되어 있지만, 다수의 세로 모드를 포함하는 단지 펌프 빔 만이 이용되는 본 발명에 대해서는 문제가 되지 않는다는 것이 주지되어야 한다. 따라서, DRO는 본원에 기술된 모든 OPO 배열에?? 허용 가능한 변화이다.
반사경(12 및 16)의 표면은 평평하거나, 오목하거나, 볼록할 수 있으며, 이는 당업자에게는 자명하다. 바람직한 구체예로서, 평평한 표면이 다중 모드 펌프 방사선을 전환시키는데 유리한데, 그 이유는 모드 매칭이 OPO 캐비티 보다 펌프 빔(5)에 지배될 것이기 때문이다. 높은 등급의 횡행 모드로 인한 효율 감소는 이 경우에는 심각하지 않다. 평탄하며 평행한 OPO의 공명기 모드가 평행한 광의 빔으로 구성되므로, 펌프 빔을 집속시키기 위한 렌즈가 또한 요구되지 않아 보다 단순한 전체 OPO 레이저 디자인을 유도한다. 요철 표면을 사용하는 대안이 가능하지만, 렌즈가 OPO 공명기 모드의 작은 허리부에 펌프의 허리부를 매칭시키도록 제공되어야 하며, 높은 OPO 효율을 보장하기 위해 단일 횡행 모드 펌프를 필요로 하기 때문에 배열하기에 약간 더 복잡하다. 어떠한 모드 미스매칭도 광학 파라메트릭 오실레이션에 대한 이득의감소 및 후속적인 한계 증가를 야기시킬 것이기 때문에 모드 매칭은 이러한 유형의 배열에서 중요한 고려사항이다. 바람직한 구체예로서, 덜 복잡하고 값이 더 싼 펌프 레이저라면 OPO 보다도 전달 시스템의 요건에 의해 요구되는 허용 발산에 대한 한계를 가지면서 다중 모드 빔을 제공할 것이다.
펌프 레이저(20)는 일반적으로 플래쉬램프 또는 다이오드 어레이에 의해 펌핑되는 Nd:YAG와 같은 네오디뮴 도핑된 레이저 로드로 구성된다. 필요한 에너지, 피크 동력 및 반복 속도를 갖는 플래쉬램프 및 다이오드 둘 모두에 의해 펌핑되는 레이저는 널리 공지되어 있으며, 시판되고 있다. 그 밖의 적합한 레이저 매질은 Nd:YLF, Nd:유리 및 Nd:YAlO3와 같은 결정을 포함하며, 이들 모두는 본 발명에 포함된 범위에 속하는 파장에서 기본적인 방사선을 제공한다.
결정(15)은 바람직하게는, 아이들러 또는 시그날 파장에서 높은 비선형 계수, 합리적으로는 폭넓은 각 및 온도 띠폭, 높은 손상 한계 및 최소 흡수율을 갖는 비선형 물질을 포함한다. 이상적으로는, 심지어 빔 특성이 불량한 레이저 빔이 길다란 결정에서 용이하게 전환되게 하는 가능한 가장 큰 워크오프 각을 초래할 것이기 때문에 비임계적으로 페이즈 매칭될 수 있는 결정이라면 바람직할 것이다. 비임계적 페이즈 매칭(NCPM) 배열에서, 결정은 페이즈 매칭이 결정의 주축(X, Y 또는 Z) 중의 한 축에 평행한 전파 방향을 따라서 달성되도록 배향된다. 실제로, 현재 유용되고 있는 물질 및 레이저로는 제시된 적용을 위해 이러한 표준을 충족시키는 것이 가능하지 않을 수 있다. 대안적으로, 워크오프 각 및 각도의 띠폭이 반드시 단일 횡행 모드는 아닌 빔의 효과적인 전환을 허용하기에 충분히 높은 경우에 한해서 임계적 페이즈 매칭(CPM)을 갖는 결정이 허용될 수 있다. 본 발명자들은 심지어 KTP가 1.06㎛ 레이저로 펌핑하에 발생되는 소정의 아이들러 파장과 비임계적으로 페이즈 매칭될 수 없는 경우에도 포타슘 티타닐 포스페이트(KTiOPO4또는 "KTP")로서 공지된 결정이 이러한 적용의 요건을 충족시킬 수 있다고 단정하였다. KTP 결정은 성장 과정에 본질적인 나머지 OH-라디칼의 존재로 인해 3미크론에서 또는 그 근방에서 약간의 흡수를 나타내는 것으로 공지되어 있다. 이러한 흡수가 지나치게 크다면 높은 반복 속도 적용을 위한 KTP의 사용을 방해하는 것처럼 보일 것이다.
그러나, 본 발명자들은 정상적인 조건하에서 KTP가 심지어 현재의 물질 성장 능력을 제공하는 흡수 수준인 경우에도 각막 조각 적용을 위한 OPO 결정으로서 적합하다고 단정하였다. 후술되는 바와 같이, 이것은 KTP의 큰 온도 띠폭과 적당한 에너지 출력과 고려되는 수술에 필요한 평균 동력 요건의 우연한 조합에 의해 달성되었다. 타입-II 페이즈 매칭을 위해 커팅된 결정에 있어서, 68 내지 70도의 내각은 x 커팅된 물질에 대한 공지된 물질 파라미터를 토대로 하여 1.064㎛ Nd:YAG 레이저에 의해 펑핑되는 경우에 아이들러에 대하여 요구되는 파장을 제공할 것이다. 이들 각은 필요하다면 회절 한계의 다수배를 초과하는 발산으로 다중 모드 펌프 빔을 수용할 수 있을 정도로 충분히 큰 허용각을 제공할 수 있을 정도로 90°에 충분히 근접할 것이다. 그러나, 특히 현장에서의 휴대성과 일치하는 치밀하고 단순한 장치의 표준이 하나의 인자가 되는 경우에, 성분의 현명한 선택이 외과용 레이저 장비에 필수적인 작동 조건을 달성하는 것이 필요하다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어 각막 조각 적용에 의해 부과된 엄격한 파라미터에 대하여 측정한 결과, 도 1에 도시된 단순한 광학 배열에서 유용 가능한 물질 및 광학을 사용하여 다양한 OPO 요소 및 파라미터의 특정 조합은 연역적으로 명백하지 않았다.
따라서, 본 발명의 중요한 일면으로서, 충분한 길이의 KTP 결정은 1미크론 방사선의 효율적인 전환을 허용하도록 선택되어야 한다. 바람직한 구체예로서, x 커팅된 결정에 대하여 68 내지 70°타입-II CPM 형태에서 실현될 수 잇는 워크오프 각의 평균 및 요망되는 5 내지 30mJ 범위에서 아이들러 출력 에너지 수준을 생성시키는데 요구되는 OPO 이득의 추정을 기초하여 볼 때, 20mm 미만의 결정 길이, 잠재적으로는 30mm 만큼 긴 결정 길이가 적합하다. 이러한 배향에서, KTP에 대한 허용각은 5cm-mrad 정도이며, 이러한 각은 본 발명에 바람직한 다중 모드 펌프를 수용하기에 여전히 충분하게 크다.
출력 빔(52)의 특정 파장이 주축에 대하여 결정을 회전시킴으로써 변경될 수 있다는 것이 또한 이해되어야 할 것이다. 이것은 흡수 특성이 조직의 유형에 따라, 심지어 동일한 조직이라도 온도 함수에 따라 다르기 때문에, 외과적인 배경에서 잠재적으로 유용한 특징이다. 따라서, 약간의 파장 변화는 제시된 과정에 요구되는 최적의 흡수에 대한 매칭을 허용하여 OPO 레이저 광원의 범위 및 유용성을 확대할 수 있다. 이와 같이 얻어질 수 있는 파장 범위에 대한 한계는 펌프 빔 및 결정 구멍의 상대적인 크기에 의해 결정된다. 용이하게 유용 가능한 결정 크기 및 KTP의 공지된 파라미터를 토대로 하여, 2.75 내지 3㎛를 약간 넘는 파장 범위는 수가지 시판되는 네오디뮴 첨가된 펌프 레이저 중의 어느 하나의 레이저를 사용하여 모두 본 발명의 형태에 포함될 수 있다.
본 발명의 더욱 또 다른 중요한 일면은 OPO 한계가 비집속된 펌프 빔 배열에서도 도달될 수 있도록 충분히 짧은 펌프 레이저 펄스의 사용에 관한 것이다. 빔을 결정으로 집속시키는 요건을 없애므로써, 다중 모드 또는 불안정한 공명기 펌프 빔 공간 분포가 사용될 수 있으며, 이러한 방법은 OPO 모드 매칭과 관련된 어려움을 경감시키면서 펌프 레이저에 대한 요건을 충분히 완화시키는 장점을 갖는다. 바람직한 구체예로서, 5ns 내지 12ns의 펌프 펄스 지속시간(FWHM)이 허용 가능하며, 회절 한계 보다 8배 더 큰 발산을 갖는 다중모드 펌프 빔에 대해서 조차 10% 이상의 아이들러 파장으로 효과적으로 전환시킨다는 것이 밝혀졌다.
본 발명의 또 다른 특징으로서, 노출된 결정 표면(즉, 코팅된 비반사방지(AR))이 현재의 코팅 기술의 결함과 관련된 손상의 위험성을 경감시키기 위해 사용될 수 있으며, 이로써 특히 짧은 지속 시간 펄스가 사용되는 경우에, 선택되는 3미크론 파장 근처에서의 나머지 흡수가 손상 한계를 실행할 수 없는 수준으로 저하시킬 수 있다. 높은 질의 3미크론 코팅이 KTP에 대하여 유용하게 되는 경우에, 이들은 OPO 손실을 저하시키고 동일한 경사 효율에 대하여 파라메트릭한 오실레이션에 대한 한계를 추가로 감소시킬 것이기 때문에 유리하게 사용될 수 있다. 그러나, 최적의 성능 및 손상 없는 작동을 위해, 한계는 한계 보다 3-4배 이하의 입력 에너지로 요망되는 아이들러 에너지 출력이 달성되게 하여야 한다는 것이 지적되어야 한다. 결정을 AR 코팅함으로써, 출력 커플러의 반사도가 감소될 수 있으며, 이로서 동일한 출력 에너지에 대하여 순환성 2.9㎛ 동력을 떨어뜨린다.
상기된 예에서, 노출된 결정의 경우에, 결정 또는 광학에 대한 손상이 모든 표준 광학을 사용하는, 10Hz에 대하여 250mJ의 초과량의 입력 펌프 에너지에서 조차 회피될 수 있다고 단정되었다. 다시 언급하면, 1 내지 5mm 정도의 직경을 갖는 비집속된 빔을 사용하는 능력은 이러한 성능을 달성하는데 결정적인 일면으로 간주된다. 특히, 완전한 펌프 동력에 지배되는 입력 반사경상에서, 잠재된 손상을 추가로 억제하기 위해서, 다른 배열이 사용될 수 있으며, 이로써 펌프 빔이, 3미크론에서 높은 반사도를 제공해야 하는 동일한 0° 입력 반사경을 통해 커플링되지 않는다. 대신에, 가장 많이 이용되는 1미크론 코팅이 사용되는 경우에 45°에서 3미크론 아이들러 빔을 반사시킴으로써 손상 한계를 증가시킬 수 있다.
대안적인 구체예가 도시되어 있는 도 2를 참조하면, (16), (17) 및 (18)로 표시된 세 개의 반사경을 사용하는 "L-모양" 캐비티가 사용되어 펌프 빔(50) 및 아이들러 빔(52)의 경로를 약간 분리시킨다. 이와 같이, 펌프는 아이들러 파장에서 높은 반사도(45°에서)를 제공하도록 또한 코팅되는 45° 반사경(17)을 통해 커플링된다. 반사경(18)은 아이들러 빔(52)을 반사시키도록 코팅되지만, 높은 동력의 펌프 빔(50)에는 영향을 받지 않는다. 그 다음, 아이들러 빔(52)은 아이들러 빔(52)의 파장에서 부분적으로 반사하는 반사경(16)을 통해 커플링된다. 다시 언급하면, 도 1에서와 같이, 반사경(16)은 펌프 빔(50)의 후방 반사를 제공하고, 파라메트릭한 방법에 대한 한계를 저하시키도록 코팅되는 것이 바람직하다. 이러한 "L" 캐비티의 장점은 입력 반사경에 대한 영향이 45°의 입사각으로 인해 감소된다는 것이다. 이러한 반사경(17)은 전형적으로 손상에 대한 첫 번째 성분이므로, 보다 낮은 영향은 제시된 에너지 출력 수준에서 OPO에 대한 손상의 감소된 가능성으로 옮겨진다.
도 1 및 도 2의 구체예 둘 모두에서, OPO 축이 펌프 레이저(20)로의 피드백을 억제하기 위해 펌프 축으로부터 약간 오프셋되어야 한다는 사실에 주목해야 한다. 대안으로서, 시스템에 추가 비용을 발생시키기는 하지만, 펌프 레이저와 OPO 사이에 절연체가 사용될 수 있다. 도 3 및 4는 단일 통과 펌프에 의존하기 때문에 어떠한 펌프 피드백도 갖지 않는 두 개의 대안적인 형태를 나타낸다. 이와 같이, 전환률을 증가시키고 한계를 감소시키기 위해, 동일한 결정으로의 펌프의 후방 반사 대신에 두 개의 OPO 결정이 나란하게 사용된다. 도 3은 펌프 파장에서 높은 반사를 위해 그리고 아이들러 파장에서 높은 투과를 위해 코팅되는 45° 반사경(11)을 통해 펌프 빔(50)이 OPO 캐비티로 커플링되는 배열을 도시하고 있다. 펌프 빔은 두 개의 비선형 결정(15' 및 15")을 통해 통과하며, 펌프 파장에서 높은 투과를 위해 그리고 아이들러 빔의 3.0㎛ 파장 범위에서 높은 반사를 위해 코팅되는 반사경(12)을 통해 캐비티로부터 투과된다. 아이들러 빔(52)은 캐비티로부터의 출력을 최대화시키도록 선택되는 반사도를 갖는 아이들러 파장을 부분적으로 반사시키기 위해 코팅되는 반사경(13)을 통해 캐비티로부터 커플링된다. 이러한 단일 공명 오실레이터(SRO)에서, 각각의 반사경(11, 12 및 13)은 단지 아이들러 파장만이 공명하도록 시그날 파장을 투과하기 위해 코팅된다. 대안적인 배열은 시그날 파장에서 반사 코팅을 필요로 하는 DRO, 및 가능하게는, 추가의 빔 스플리터 및 또는 그 밖의 광학장치를 사용할 것이다.
도 4는 "링"이라 불리는 형태를 도시하고 있으며, 여기에서 프리즘(14)은 캐비티내 빔의 전체 내부 반사(TIR)를 제공하여 단일 패스 배열에서 (15) 및 (15')로서 표시된 두 개의 OPO 결정을 펌핑시킨다. 두 개의 45° 반사경(19 및 19')은 펌프 및 시그날 파장에서 높은 투과를 제공하기 위해 코팅된다. 반사경(19')은 또한 아이들러 파장을 반사시키기 위해 코팅되고, 반면에 반사경(19)은 아이들러 빔(52)을 아웃커플링시키기 위해 3㎛에서 부분 반사적이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 나머지 펌프 빔(50)은 반사경(19')을 통해 OPO 캐비티로부터 배출되어 어떠한 피드백 문제도 발생시키지 않는다. 또한, 대부분의 시그날 빔(54)이 반사경(19')을 통해 캐비티로부터 투과되므로, 아이들러 빔(52) 경로에서 시그날의 추가 감쇠를 위한 요건이 적어진다. 이들 마지막 두 개의 형태가 관심을 끌지만, 도 4의 형태는 광학적으로 보다 복잡하여 도 1의 단순한 배열과 비교하여 추가의 요소를 필요로 한다.
도 5는 펌프 방사선을 OPO로 커플링시키기 위한 도파관 수단(60)을 사용하는 실질적으로 대안적인 신규한 배열을 도시하고 있다. 바람직한 구체예로서, 도파관 수단은 중공 도파관, 섬유 또는 섬유 다발을 포함한다. 의학용 레이저 시스템에 대해 고정된 빔 전달 시스템인 공기 통로를 사용하는 것 이상으로 섬유 전달을 사용하는 장점은 널리 공지되어 있다. 이러한 장점은 수술 부위로의 빔의 용이한 정렬, 및 방사선, 전달 각 및 위치의 보다 유연한 조정, 다중모드 빔의 균질화(또는 공간적인 평탄화), 및 다른 경우에는 접근할 수 없는 내부 위치에 방사선을 전달하는 능력을 포함한다. 그러나, 100밀리주울의 단펄스 방사선을 견뎌낼 수 있는 손상 한계를 갖는, 1미크론 방사선을 투과시키기 위한 섬유는 잘 개발되어 있지만, 단펄스, 3 미크론 방사선을 투과시키기 위한 섬유는 현재 사용되고 있지 않다. 따라서, 고출력 1미크론 펌프 시스템이 섬유 이상으로 투과되어 외과용 현미경에 아주 근접하게 OPO를 배치시킬 수 있다면 유리할 것이다. 섬유 전달 시스템의 대부분의 장점은 내부 위치로의 접근을 제외하고는, 섬유를 통해 커플링되는 펌프 광인 경우에 나타날 것이다. 특히, 펌프 빔의 균질화는 주로 각막 절제의 속성인, 출력 중적외선 빔에 대한 보다 스무스한 프로파일을 생성시킬 것이다.
도 5의 구체예에서, 펌프 빔(50)은 렌즈(62)를 통해 섬유(60)에 커플링되며,대안적인 구체예로서, 섬유 다발 또는 중공 금속 도파관을 보존시키는 편광으로 구성될 수 있다. 섬유 다발이 표준 광학 수단(64)을 통해 원위 말단에서 광의 회수 및 재시준을 효율적으로 허용하면서 발산 펌프 빔(50)을 수용하고 투과시키는데 적합하다. 렌즈(68)는 펌프 광을 OPO로 이미지화시키는 것으로 도시되어 있다. 바람직한 구체예로서, 렌즈는 6mm 직경의 다발을 가정하는 경우에 1:1 이미징을 제공하여 비집속된 펌프 빔 배열의 특성을 유지시킨다. 유용 가능한 펌프 빔 및 섬유 수치 구멍의 특성에 따라서 그 밖의 비가 사용될 수 있다. 바람직한 구체예로서, 섬유 다발은 OPO 결정에서 페이즈 매칭을 허용하기 위해 요구되는 바와 같이, 다수의 편광으로 구성되어 단일 모드 섬유를 보존시킬 수 있다. 이러한 방법을 사용하여, 각 섬유의 손상 한계 및 섬유로부터 방출되는 빔의 발산이 어드레싱되어야 하며, 이는 당업자에게는 자명할 것이다. 중공 금속 도파관의 경우에, 편광이 보존될 수 있으며 약 1mm 직경을 갖는 도파관이 1㎛ 파장에서 100mJ의 단펄스 광 이상으로 잘 전달할 수 있음은 지적되어 있다. 도파관(60)으로부터 방출되는 펌프 광의 잔여 편광을 보정하는데 필요한 이러한 광학 수단은 도 5의 개략도에서 광학 엘리먼트(64)의 일부로서 포함될 수 있다. 단순 목적상, 단지 도 1의 단순한 OPO만이 도 5에 도시되어 있지만, 도 2 내지 4의 대안적인 OPO 구체예의 어떠한 구체예도 도 5의 OPO 엘리먼트(10)로서 사용될 수 있음이 이해되어야 할 것이다.
3미크론에서 또는 그 근방에서 선택되는 KTP 결정에서의 흡수는 상기 도시된 어떠한 형태의 OPO 레이저 광원의 반복 주파수를 스케일링하는 것을 제한할 수 있다는 것이 주지되어야 할 것이다. 이와 같이, 결정의 길이부를 통해 8-10%의 흡수 수준은 KTP의 광범위한 온도 띠폭에 기인하는 결과인 0.5W 미만의 평균 동력 OPO 출력에 대하여 허용될 수 있는 것이 밝혀졌다. 그러나, 40-50Hz 이상까지 OPO의 반복 속도를 스케일링하는 것은 물질 영역에서 약간의 진보를 필요로 할 수 있으며, 이로써 흡수되는 OH-이온의 형성을 선호하지 않는 변경된 조건하에서 성장이 수행될 수 있다는 것이 인지된다. 이러한 진보가 현재 고려되고 있으며, 실현되기만 하면, 50Hz 수준 이상으로 반복 속도를 스케일링할 수 있을 것이다. 100Hz까지 반복 주파수의 추가의 스케일링이 예를 들어 단일 레이저 빔에 의해 펌핑된 두 개의 OPO의 출력을 교차시킴으로써 제공될 수 있다. 이들, 및 결정의 다중도를 이용하는 그 밖의 배열은 본 발명의 범주안에 있다.
KTA 및 RTA와 같은 대안적인 KTP 동형체는 이들이 KTP와 유사한 특성을 갖는 경우에, 상기된 형태 중의 어느 하나를 사용하는 중적외선 OPO 레이저를 위한 후보로서 인지된다. 특정 결정의 선택은 주로 본 발명의 선택 파장에서 최적 흡수 및 선호되는 페이즈 매칭과 관련된 특성의 조합에 좌우된다.
마지막으로, 가까운 미래에 개발되어야 하는 다수의 대안적인 OPO 기술은 본원에 기술된 외과용 OPO 레이저에서 유리하게 사용될 수 있다. 이러한 개선은 높은 비선형도로 인해 현저하게 낮은 한계를 제공할 수 있는 주기적으로 폴링된(PP) KTP의 사용을 포함한다. PP KTP로부터의 출력 에너지는 현재 작은(〈1mm) 구멍으로인해 1mJ 미만으로 제한되고 있지만 보다 큰 PP KTP 결정은 융합 결합과 같은 전개 중인 기술을 통해 유용하게 될 수 있다. 더욱이, 주기적으로 폴링된 형태에 있어서, 1㎛에서 펌핑된 LiNbO3는 또한 NCPM을 효과적으로 촉진시킬 수 있는 준 페이즈 매칭 조건하에서 필수적인 2.9-3.0㎛ 파장을 생성시키기 위한 후보 결정일 수 있다. 다시 언급하자면, 구멍은 1mm 미만으로 제한되지만, 미래의 개발은 그리 멀지 않은 미래에 유용 가능하게 될 것인 보다 큰 PP 결정을 초래할 수 있다. 물론, 3미크론에서 LiNBO3에서의 흡수는 특히 보다 높은 반복 속도에 대하여 언급되어야 할 문제를 여전히 남긴다.
본 발명자들은 0.85 내지 0.9㎛의 출력 파장으로 펌프 레이저 광원의 이용이 또 다른 대안적인 OPO 형태를 나타내고 있음을 또한 주목한다. 이러한 펌프 파장에 있어서, KTP(x-컷)를 비임계적으로 페이즈 매칭시키는 것이 가능하며, 이는 고려되는 외과 적용에 매우 유리할 것이다. 불운하게도, 이러한 근적외선을 제공하는 펌프 레이저는 치밀한 저비용의 상업용 레이저로서 아직은 사용되고 있지 않다. 이의 후보는 램프 펌핑된 Ti:사파이어 및 Cr:LiSAF를 포함하며, 이중의 어느 것도 요구되는 에너지(100mJ 보다 큰 에너지), 펄스 지속시간(25ns 미만) 및 반복 속도(10Hz 보다 큰 속도) 용량으로 용이하게 사용될 수 없다. 그러나, 이들 또는 유사한 레이저가 미래에 개발될 수 있으며, 따라서 이는 본 발명의 범위에 속한다.
본원에 도시되고 기술된 구체예 및 변형예는 단지 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것이며 다양한 변형이 본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않으면서 당업자에게는 자명할 것이라는 것이 이해되어야 할 것이다.

Claims (59)

  1. 조직상에서 레이저 수술을 수행하는 중적외선 레이저 시스템으로서,
    약 1.0 내지 1.1㎛ 범위의 파장을 갖는 펌프 빔을 생성시키는 레이저 광원 수단;
    펌프 빔을 아이들러 빔 및 시그날 빔으로 파라메트릭하게 전환하기 위한 비선형 결정으로서, 상기 아이들러 빔이 조직의 흡수 피크에 대체적으로 상응하는 중적외선 범위의 파장을 갖도록 하는 결정; 및
    아이들러 빔을 조직상으로 유도하여 주로 광기계적 절제 방법에 의해 조직의일부를 제거하기 위한 수단을 포함하는 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 레이저 광원 수단이 네오디뮴 도핑된 레이저임을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 펌프 빔이 50ns 미만의 펄스 지속 시간, 및 10Hz 이상의 반복 속도 및 단일 또는 다중 모드로 구성되는 횡행 모드 구조를 가짐을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 비선형 결정이 포타슘 티타닐 포스페이트(KTP) 결정임을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 비선형 결정이 세 개의 주축에 대하여 회전 가능함을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 비선형 결정이 KTP 및 이의 동형체 또는 LiNbO3를 포함하는 주기적으로 폴링된(poled) 비선형 물질로 제조됨을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 비선형 결정이 조직에서 흡수를 최대화하도록 조정될 수 있음을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 아이들러 빔이 1mJ 이상의 에너지 출력값을 가짐을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  9. 제 1항에 있어서, 아이들러 빔이 2㎛ 미만의 각막 조직의 열손상 영역을 형성시킴을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 외과 수술이 각막 절제 수술임을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  11. 제 10항에 있어서, 각막 절제 수술이 광파쇄 메카니즘에 기초한 PRK 기술임을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  12. 제 1항에 있어서, 유도 수단이 "L 모양" 배열을 포함하는 세 개의 반사경을 포함함을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  13. 제 1항에 있어서, 비선형 결정이 이중 공명 오실레이터에 기초를 두고 있음을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  14. 제 1항에 있어서, 교차 빔을 갖는 레이저 광원 수단에 의해 펌핑된 한쌍의 비선형 결정을 포함하여 20Hz 이상의 전체 반복 속도가 달성됨을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  15. 제 1항에 있어서, 눈에 미치는 영향이 100mJ/cm2내지 500mJ/cm2임을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  16. 조직상에서 레이저 외과 수술을 수행하기 위한 중적외선 레이저 시스템으로서,
    약 1.0 내지 1.1㎛ 범위의 파장을 갖는 펌프 빔을 생성시키기 위한 레이저 광원 수단;
    펌프 빔을 아이들러 빔 및 시그날 빔으로 파라메트릭하게 전환하기 위한 비선형 결정으로서, 상기 아이들러 빔이 약 2.85 내지 3.0㎛ 범위의 중적외선 파장을 갖는 비선형 결정; 및
    아이들러 빔을 조직상으로 유도하여 주로 광기계적 절제 과정에 의해 조직의 일부를 제거하기 위한 수단을 포함하는 중적외선 레이저 시스템.
  17. 조직상에서 레이저 외과 수술을 수행하는 방법으로서,
    약 1.0 내지 1.1㎛ 범위의 파장을 갖는 펌프 빔을 발생시키는 단계;
    펌프 빔을 비선형 결정을 통해 통과시켜 펌프 빔을 아이들러 빔 및 시그날 빔으로 파라메트릭하게 전환시키는 단계로서, 상기 아이들러 빔이 조직의 흡수 피크에 대체적으로 상응하는 중적외선 범위의 파장을 가지는 단계; 및
    아이들러 빔을 조직상으로 유도하여 주로 광기계적 절제 과정에 의해 조직의일부를 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 레이저 광원 수단이 네오디뮴 도핑된 레이저임을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 17항에 있어서, 펌프 빔이 50ns 미만의 펄스 지속 시간, 10Hz 이상의 반복 속도 및 단일 또는 다중 모드로 구성되는 횡행 모드 구조를 가짐을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 17항에 있어서, 비선형 결정이 포타슘 티타닐 포스페이트(KTP) 결정임을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 17항에 있어서, 비선형 결정이 세 개의 주축에 대하여 회전 가능함을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 17항에 있어서, 비선형 결정이 KTP 및 이의 동형체 또는 LiNbO3를 포함하는 주기적으로 폴링된 비선형 물질로 제조됨을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 17항에 있어서, 비선형 결정을 조정하여 조직내 흡수를 최대화하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 17항에 있어서, 아이들러 빔이 1mJ 이상의 에너지 출력값을 가짐을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 17항에 있어서, 아이들러 빔이 2㎛ 미만의 각막 조직의 열손상 영역을 형성시킴을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 17항에 있어서, 외과 수술이 각막 절제 수술임을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 26항에 있어서, 각막 절제 수술이 광파쇄 메카니즘에 기초한 PRK 기술임을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 17항에 있어서, 유도 수단이 "L 모양" 배열을 포함하는 세 개의 반사경을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 17항에 있어서, 비선형 결정이 이중 공명 오실레이터에 기초를 두고 있음을 특징으로 하는 방법.
  30. 조직상에서 레이저 외과 수술을 수행하는 중적외선 레이저 시스템으로서,
    약 0.85 내지 0.9㎛의 파장 범위를 갖는 펌프 빔을 생성시키는 레이저 광원;
    펌프 빔을 아이들러 빔 및 시그날 빔으로 파라메트릭하게 전환시키기 위한 세 개의 주축에 대하여 회전 가능한 비선형 결정으로서, 상기 아이들러 빔이 약 2.85 내지 3.0㎛의 중적외선 범위의 파장을 가지며, 상기 비선형 결정이 비임계적으로 페이즈 매칭되고, 페이즈 매칭이 주축 중의 하나에 평행한 아이들러 빔의 전파 방향을 따라서 달성될 수 있도록 결정이 배향되는 비선형 결정; 및
    아이들러 빔을 조직상으로 유도하기 위한 수단을 포함하는 시스템.
  31. 조직상에서 레이저 외과 수술을 수행하기 위한 중적외선 레이저 시스템으로서,
    약 0.85 내지 1.1㎛의 파장 범위를 갖는 펌프 빔을 생성시키기 위한 레이저 광원으로서, 상기 펌프 빔이 규정된 편광을 갖는 레이저 광원;
    펌프 빔을 아이들러 빔 및 시그날 빔으로 파라메트릭하게 전환시키기 위한 비선형 결정으로서, 상기 아이들러 빔이 2.85 내지 3.0㎛의 중적외선 범위의 파장을 갖도록 하는 비선형 결정;
    레이저 광원을 비선형 결정에 커플링시키기 위한 섬유 수단으로서, 상기 섬유 수단이 평광을 유지시키는 수단; 및
    아이들러 빔을 조직상에 유도하여 주로 광기계적 절제 과정에 의해 조직의 일부를 제거하기 위한 수단을 포함하는 시스템.
  32. 환자의 눈으로부터 각막 조직을 제거하는 방법으로서,
    약 1㎛의 파장을 갖는 펌프 빔을 발생시키는 단계;
    펌프 빔을 비선형 결정을 통해 통과시켜 펌프 빔을 아이들러 빔 및 시그날 빔으로 파라메트릭하게 전환시키는 단계로서, 상기 아이들러 빔이 각막 흡수 피크에 상응하는 중적외선 범위의 파장을 갖도록 하는 단계; 및
    사전 규정된 패턴으로 각막 조직 영역을 가로질러 빔을 주사시켜 주로 광기계적 절제 과정에 의해 각막 조직의 일부를 제거하는 단계를 포함하는 방법.
  33. 제 32항에 있어서, 레이저 광원 수단이 네오디뮴 도핑된 레이저임을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 32항에 있어서, 펌프 빔이 50ns 미만의 펄스 지속 시간, 10Hz 이상의 반복 속도 및 단일 또는 다중 모드로 구성되는 횡행 모드 구조를 가짐을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 32항에 있어서, 비선형 결정이 포타슘 티타닐 포스페이트(KTP) 결정임을 특징으로 하는 방법.
  36. 제 32항에 있어서, 비선형 결정이 세 개의 주축에 대하여 회전 가능함을 특징으로 하는 방법.
  37. 제 32항에 있어서, 비선형 결정이 KTP 및 이의 동형체 또는 LiNbO3를 포함하는 주기적으로 폴링된 비선형 물질로 제조됨을 특징으로 하는 방법.
  38. 제 32항에 있어서, 비선형 결정을 조정하여 조직내 흡수를 최대화하는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
  39. 제 32항에 있어서, 아이들러 빔이 1mJ 이상의 에너지 출력값을 가짐을 특징으로 하는 방법.
  40. 제 32항에 있어서, 아이들러 빔이 2㎛ 미만의 각막 조직의 열손상 영역을 형성시킴을 특징으로 하는 방법.
  41. 제 32항에 있어서, 외과 수술이 각막 절제 수술임을 특징으로 하는 방법.
  42. 제 41항에 있어서, 각막 절제 수술이 광파쇄 메카니즘에 기초한 PRK 기술임을 특징으로 하는 방법.
  43. 제 32항에 있어서, 유도 수단이 "L 모양" 배열을 포함하는 세 개의 반사경을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  44. 제 32항에 있어서, 비선형 결정이 이중 공명 오실레이터에 기초를 두고 있음을 특징으로 하는 방법.
  45. 환자의 눈으로부터 각막 조직을 제거하기 위한 중적외선 레이저 시스템으로서,
    약 1.0 내지 1.1㎛ 범위의 파장을 갖는 펄스화된 펌프 빔을 생성시키기 위한 레이저 광원 수단;
    펌프 빔을 아이들러 빔 및 시그날 빔으로 파라메트릭하게 전환시키기 위한 비선형 결정으로서, 상기 아이들러 빔이 각막 흡수 피크에 대체적으로 상응하는 중적외선 범위의 파장을 갖는 비선형 결정; 및
    사전 규정된 패턴으로 아이들러 빔을 눈에 유도하여 주로 광기계적 절제 과정에 의해 각막 조직의 일부를 제거하기 위한 수단을 포함하는 시스템.
  46. 제 45항에 있어서, 레이저 광원 수단이 네오디뮴 도핑된 레이저임을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  47. 제 45항에 있어서, 펌프 빔이 50ns 이하의 펄스 지속 시간, 및 10Hz 이상의 반복 속도 및 단일 또는 다중 모드로 구성되는 횡행 모드 구조를 가짐을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  48. 제 45항에 있어서, 비선형 결정이 포타슘 티타닐 포스페이트(KTP) 결정임을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  49. 제 45항에 있어서, 비선형 결정이 세 개의 주축에 대하여 회전 가능함을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  50. 제 45항에 있어서, 비선형 결정이 KTP 및 동형제 또는 LiNbO3를 포함하는 주기적으로 폴링된 비선형 물질로 제조됨을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  51. 제 45항에 있어서, 비선형 결정이 조직내 흡수를 최대화시키도록 조정될 수 있음을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  52. 제 45항에 있어서, 아이들러 빔이 1mJ 이상의 에너지 출력값을 가짐을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  53. 제 45항에 있어서, 아이들러 빔이 2㎛ 미만의 각막 조직의 열손상 영역을 형성시킴을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  54. 제 45항에 있어서, 외과 수술이 각막 절제 수술임을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  55. 제 54항에 있어서, 각막 절제 수술이 광파쇄 메카니즘에 기초한 PRK 기술임을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  56. 제 45항에 있어서, 유도 수단이 "L 모양" 배열을 포함하는 세 개의 반사경을 포함함을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  57. 제 45항에 있어서, 비선형 결정이 이중 공명 오실레이터에 기초를 두고 있음을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  58. 제 45항에 있어서, 교차되는 빔을 갖는 레이저 광원 수단에 의해 펌핑되는 한 쌍의 비선형 결정을 포함하여 20Hz 이상의 전체 반복 속도가 달성됨을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  59. 제 45항에 있어서, 눈에 미치는 영향이 100mJ/cm2내지 500mJ/cm2임을 특징으로 하는 레이저 시스템.
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