JP3652931B2

JP3652931B2 - レーザ装置

Info

Publication number: JP3652931B2
Application number: JP22792099A
Authority: JP
Inventors: 毅山田
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 1999-08-11
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2019-08-11
Also published as: JP2001053368A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の異なる波長のレーザ光を出射可能なレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
複数の異なる波長のレーザ光を出射可能なレーザ装置としては、レーザ光の波長が可変なアルゴン・ダイレーザやマルチウェイブレングスのクリプトンレーザなどが知られている。これらは、患部や治療目的によって適する波長が異なる眼科手術等の医療分野など、様々な分野で使用されている。例えば、眼科手術においては、可視域を中心に波長（色）の違いによって異なる疾患（患部）の治療を行っており、疾患（患部）によっては赤と緑などの異なる波長（色）を同時に又は連続して使用する場合もあるため、１台の装置で複数の異なる波長を出射できるのは都合がよい。
【０００３】
また、前述した波長可変のレーザ治療装置は気体又はダイレーザであり、レーザチューブが短寿命であること、多大な電力を必要とすること、装置が大型化することなど問題が多いため、固体レーザによる多波長発振可能なレーザ装置が研究されている。そのような背景の中、従来は可視域のレーザ光を得られなかった固体レーザから可視域のレーザ光を得る方法や、複数の異なる波長の光から和周波光を得る方法が提案されている。
【０００４】
例えば、U.S.Patent No.5,345,457やU.S.Patent No.5,528,612では、１又は複数個のプリズムを使用し、且つ非線形結晶を使用して、複数の異なる波長の光を組合わせることによって和周波光を得ることができるレーザ装置を開示している。U.S.Patent No.5,345,457のレーザ装置では、Ｎｄ：ＹＡＧロッドによる１０６４ｎｍの光と１３１８ｎｍの光とから、和周波光である５８９ｎｍのレーザ光を出射することができる。さらに、U.S.Patent No.5,528,612のレーザ装置では、複数の波長のレーザ光をそれぞれ単独でも出射でき、組合わせて和周波光としても出射できる。これにより、例えば、３つの異なる波長のレーザ光を出射させる場合では、２つのレーザロッド及びそれを励起するための励起光源で行うことができ、従来に比べてそれぞれ１つずつ少なくすることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、プリズムによって異なる波長を組合わせる場合、特にＮｄ：ＹＡＧ結晶をレーザロッドとし、１０６４ｎｍと１３１８ｎｍといった近赤外域以上の比較的近い波長を組合わせる場合は、プリズムへの入射角の差が非常に小さいため広範囲のスペースが必要となる。また、プリズムを用いて各波長を同一光軸上へ導光するので、共振器内の損失が比較的大きくなり、励起光からレーザ光への変換効率が低くなる。さらにまた、プリズム自体及びその配置位置等に高い精度が要求される。
【０００６】
また、U.S.Patent No.5,345,457では、プリズムの代りにポラライザを用いて和周波光を得る方法も提案されているが、どちらの場合でも和周波光である５８９ｎｍのレーザ光のみしか出射することができない。
【０００７】
一方、U.S.Patent No.5,528,612では、１つの非線形結晶を使用し、温度を変化させることによって様々な波長変換に対応できるようにしている。しかしながら、温度を詳細に調整することは容易でなく、また１つの非線形結晶では対応できる波長変換には限界がある。
【０００８】
本発明は、上記問題点を鑑み、コストを抑えつつ、効率良く複数の異なる波長のレーザ光を出射可能なレーザ装置を提供することを技術課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
【００１０】
（１）複数の異なる波長のレーザビームを選択的に出射可能なレーザ装置において、第１固体レーザ媒質を励起して第１レーザビームを得る第１共振光学系と、第２固体レーザ媒質を励起して第２レーザビームを得る第２共振光学系と、前記第１共振光学系の光路の一部を共用して第１レーザビームを共振させる第３共振光学系に対して前記第２共振光学系の光路の一部を共用して第２レーザビームを共振させる第４共振光学系を所定の角度で交差させ、両者の交差位置に非線形結晶を配置して第１レーザビームと第２レーザビームをベクトル位相整合させて第３波長レーザビームを得る第３波長レーザビーム生成光学系と、を備えることを特徴とする。
（２）複数の異なる波長のレーザビームを選択的に出射可能なレーザ装置において、第１固体レーザ媒質を励起して得られた第１レーザビームを非線形結晶により第２高調波である第１波長レーザビームとする第１共振光学系と、第２固体レーザ媒質を励起して得られた第２レーザビームを非線形結晶により第２高調波である第２波長レーザビームとする第２共振光学系と、前記第１共振光学系の光路の一部を共用して第１レーザビームを共振させる第３共振光学系に対して前記第２共振光学系の光路の一部を共用して第２レーザビームを共振させる第４共振光学系を所定の角度で交差させ、両者の交差位置に非線形結晶を配置して第１レーザビームと第２レーザビームをベクトル位相整合させて第３波長レーザビームを得る第３波長レーザビーム生成光学系と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１はスリットランプを使用する眼科用レーザ光凝固装置の外観図である。図２は装置の光学系及び制御系概略図である
１はレーザ装置本体であり、後述するレーザ発振器１０、レーザ光を患者眼の患部に導光して照射するための導光光学系の一部、制御部２０等が収納されている。２は装置のコントロール部であり、レーザ光の波長を選択する波長選択スイッチ２ａやレーザ照射条件を設定入力するための各種スイッチが設けられている。３はレーザ照射のトリガ信号を発信するためのフットスイッチである。
【００１８】
４はスリットランプであり、患者眼を観察するための観察光学系と導光光学系の一部とが備えられている。５は本体１からのレーザ光をスリットランプ４に導光するためのファイバである。６はスリットランプ４を上下動するための架台である。
【００１９】
１０はレーザ発振器であり、内部には固体レーザ媒質（レーザロッド）であるＮｄ：ＹＡＧ結晶（以下、単にロッドともいう）１１ａ，１１ｂ、励起光源である半導体レーザ（以下、単にＬＤ（Laser Diode）ともいう）１２ａ，１２ｂ、波長変換器である非線形結晶（以下、単にＮＬＣ（Non Linear Crystal）ともいう）１３ａ〜１３ｃ、全反射ミラー（以下、単にＨＲ（High Reflector）ともいう）１４ａ〜１４ｇ、ダイクロイックミラー（以下、単にＤＭ（Dicroic Mirror）ともいう）１５ａ〜１５ｄ、ミラー１６ａ〜１６ｅが備えられている。なお、非線形結晶としては、ＫＴＰ結晶、ＬＢＯ結晶、ＢＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶等が使用可能であり、本実施形態ではＫＴＰ結晶を使用している。
【００２０】
Ｎｄ：ＹＡＧ結晶は励起光源からの励起光により、近赤外域の複数の発振線を持つ光を放出する（図３参照）。そこで、本実施形態の装置では、複数の発振線の内で出力が高く、それぞれ異なる色へ変換可能な約１０６４（1064.1）ｎｍと約１３１９（1318.8）ｎｍとを利用し、約５３２ｎｍ（緑）、約５８９ｎｍ（黄）、及び約６５９ｎｍ（赤）の３色のレーザ光を出射させる。本実施形態では、ロッド１１ａ側の共振器は１０６４ｎｍの光を発振し、ロッド１１ｂ側の共振器は１３１９ｎｍの光を発振する（詳しくは後述する）。
【００２１】
なお、ＨＲ１４ａ，１４ｅは１０６４ｎｍに対して全反射、ＨＲ１４ｃ，１４ｆは１３１９ｎｍに対して全反射、ＨＲ１４ｂは１０６４ｎｍ及び５３２ｎｍに対して全反射、ＨＲ１４ｄは１３１９ｎｍ及び６５９ｎｍに対して全反射、ＨＲ１４ｇは５８９ｎｍに対して全反射の特性をそれぞれ持つ。また、ＤＭ１５ａは１０６４ｎｍを反射して５３２ｎｍを透過し、ＤＭ１５ｂは１３１９ｎｍを反射して６５９ｎｍを透過し、ＤＭ１５ｃは５８９ｎｍを反射して５３２ｎｍを透過し、ＤＭ１５ｄは５３２ｎｍ及び５８９ｎｍを反射して６５９ｎｍを透過する特性をそれぞれ持つ。
【００２２】
１８ａ，１８ｂはそれぞれＬＤ１２ａ，１２ｂの駆動回路、１９ａ，１９ｂはそれぞれ移動可能に配置されたＤＭ１５ａ，１５ｂの駆動回路である。２０はコントロール部２やフットスイッチ３からの信号に基づいて装置各部を制御する制御部である。
【００２３】
次に、以上の構成に基づき、複数の異なる波長のレーザ光を出射させる方法について説明する。
【００２４】
＜５３２ｎｍのレーザ光の出射方法＞
術者は波長選択スイッチ２ａにより、手術に使用するレーザ光の色（波長）を緑（５３２ｎｍ）とする。制御部２０は駆動回路１８ａを介してＬＤ１２ａのみに電流を印可し、ＬＤ１２ａによってロッド１１ａを励起する。なお、ロッド１１ａであるＮｄ：ＹＡＧ結晶の両端面には、１０６４ｎｍに対して透過性を高めるようにＡＲ（Anti Reflective）コーティングが施されている。また、ＨＲ１４ａ、ＤＭ１５ａ、及びＨＲ１４ｂによって共振器２５ａが構成されており、ＨＲ１４ｂの直前には両端面に１０６４ｎｍ及び５３２ｎｍに対するＡＲコーティングが施されたＮＬＣ１３ａが配置されている。これにより、共振器２５ａでは１０６４ｎｍの光が発振され、さらに共振器２５ａの内部で１０６４ｎｍの第２高調波である５３２ｎｍの光に波長変換される。得られた５３２ｎｍのレーザ光は、ＤＭ１５ａを透過し、ミラー１６ａ，１６ｂ、ＤＭ１５ｃ，１５ｄを介してファイバ５へ導光される。そして、スリットランプ４の照射口から患者眼に向けて照射される。
【００２５】
＜６５９ｎｍのレーザ光の出射方法＞
術者は波長選択スイッチ２ａにより、手術に使用するレーザ光の色（波長）を赤（６５９ｎｍ）とする。制御部２０は駆動回路１８ｂを介してＬＤ１２ｂのみに電流を印可し、ＬＤ１２ｂによってロッド１１ｂを励起する。なお、ロッド１１ｂであるＮｄ：ＹＡＧ結晶の両端面には、１３１９ｎｍに対して透過性を高めるようにＡＲコーティングが施されている。また、ＨＲ１４ｃ、ＤＭ１５ｂ、及びＨＲ１４ｄによって共振器２５ｂが構成されており、ＨＲ１４ｄの直前には両端面に１３１９ｎｍ及び６５９ｎｍに対するＡＲコーティングが施されたＮＬＣ１３ｂが配置されている。これにより、共振器２５ｂでは１３１９ｎｍの光が発振され、さらに共振器２５ｂの内部で１３１９ｎｍの第２高調波である６５９ｎｍの光に波長変換される。得られた６５９ｎｍのレーザ光は、ＤＭ１５ｂを透過し、ミラー１６ｃ、ＤＭ１５ｄを介してファイバ５へ導光される。そして、スリットランプ４の照射口から患者眼に向けて照射される。
【００２６】
＜５８９ｎｍのレーザ光の出射方法＞
術者は波長選択スイッチ２ａにより、手術に使用するレーザ光の色（波長）を黄（５８９ｎｍ）とする。制御部２０は駆動回路１９ａ，１９ｂを介してＤＭ１５ａ，１５ｂを矢印方向（図２参照）にそれぞれ移動させ、ＨＲ１４ａ、ミラー１６ｄ、及びＨＲ１４ｅによる共振器２５ｃと、ＨＲ１４ｃ、ミラー１６ｅ、及びＨＲ１４ｆによる共振器２５ｄとをそれぞれ構成する。また、制御部２０は駆動回路１８ａ，１８ｂを介してＬＤ１２ａ，１２ｂにそれぞれ電流を印可し、ロッド１１ａ，１１ｂを励起する。共振器２５ｃで発振された１０６４ｎｍの光と共振器２５ｄで発振された１３１９ｎｍの光とは、それぞれミラー１６ｄ，１６ｅによって所定の角度で交差される。両光が交差する位置には、両端面に１０６４ｎｍ、１３１９ｎｍ及び５８９ｎｍに対するＡＲコーティングが施されたＮＬＣ１３ｃを配置する。これにより、１０６４ｎｍの光と１３１９ｎｍの光とは、それぞれ所定の角度でＮＬＣ１３ｃに入射してベクトル位相整合され、和周波光である５８９ｎｍの光に波長変換されて、直接又はＨＲ１４ｇによって共振器外部へ取り出される。得られた５８９ｎｍのレーザ光は、ＤＭ１５ｃ，１５ｄによって反射され、ファイバ５へ導光される。そして、スリットランプ４の照射口から患者眼に向けて照射される。
【００２７】
なお、和周波を求める公式としては、以下の式１が知られており（λ₁，λ₂は基本波長、λ₃は和周波を示す）、
【００２８】
【数１】

本実施形態の波長に当てはめると、以下の式２となる。
【００２９】
【数２】

また、本実施形態では、２つの異なる波長の光の和周波光を得たが、差周波光を得るようにすることもできる。この場合の計算式は、以下の式３となる（λ₄は差周波を示す）。
【００３０】
【数３】

この和周波光又は差周波光を得るための要因の１つとして、２つの光が非線形結晶に入射する角度があり、この角度は２つの光の各波長と非線形結晶の特性とによって求めることができる。
【００３１】
そこで、ベクトル位相整合における２つの光の入射角度の求め方について説明する。２つの基本光とその和周波光とを図４のように考えると、以下の式４が得られ、
【００３２】
【数４】

図４に基づいて以下の式５が得られる。
【００３３】
【数５】

これを計算して整理すると以下の式６となり、
【００３４】
【数６】

ここにｋ＝２πｎ／λを代入して以下の式７を得る。
【００３５】
【数７】

さらに、非線形結晶であるＫＴＰ結晶のＸＺ面を考えると、ｏ＋ｅ→ｏ（常光線＋非常光線→常光線）及びθ＝90°からｎ₁＝ｎ_y1，ｎ₂＝ｎ_z2，ｎ₃＝ｎ_y3が得られ、これを式７に代入して以下の式８を得る（ＫＴＰ結晶の特性等については、Springer社（ドイツ連邦共和国）出版の『Handbook of Nonlinear Optical Crystals− Second, Revised and Updated Edition』を参照されたい）。
【００３６】
【数８】

ここにｎ_y1，ｎ_z2，ｎ_y3及びλ₁，λ₂，λ₃の値を代入すると、α−βの値が求まり、このα−βの値と式５とからα，βを求めることができる。
【００３７】
本実施形態では、式８にｎ_y1＝1.7480，ｎ_z2＝1.8215，ｎ_y3＝1.7794及びλ₁＝1064，λ₂＝1319，λ₃＝589を代入することにより、１０６４ｎｍの光の入射角度Ａは約3.6 度であり、１３１９ｎｍの光の入射角度Ｂは約4.5 度であることを求めることができる。この角度はミラー１６ｄ，１６ｅの配置角度によって設定される。なお、ｎ_y1，ｎ_z2，ｎ_y3の値はセルマイヤー方程式によって求めることができる。
【００３８】
なお、図５のように、ミラー１６ｄ，１６ｅを省略し、ＤＭ１５ａ，１５ｂの配置角度を駆動回路１９ａ，１９ｂによって変更することにより、共振器２５ｃ'（ＨＲ１４ａ、ＤＭ１５ａ及びＨＲ１４ｅ）による１０６４ｎｍの光と共振器２５ｄ' （ＨＲ１４ｃ、ＤＭ１５ｂ及びＨＲ１４ｆ）による１３１９ｎｍの光とを所定の角度で交差させるようにしてもよい。
【００３９】
また、本実施形態では、光の波長によって透過と反射とを区別して行う特性を持つダイクロイックミラー（ＤＭ１５ａ〜１５ｄ）を使用したが、その代わりに光の偏光方向によって透過と反射とを区別して行う特性を持つ偏光ビームスプリッタを使用してもよい。この場合は、光の偏光方向を変える偏光板を適宜光路中に配置する。
【００４０】
また、本実施形態では、固体レーザ媒質としてＮｄ：ＹＡＧ結晶を使用したが、これに限定されるものではなく、周知の固体レーザ媒質（結晶）を使用することができる。もちろん、別々の種類の固体レーザ媒質（結晶）をそれぞれ使用してもよい。
【００４１】
さらにまた、本実施形態は眼科用のレーザ治療装置に限るものではなく、医療（形成外科を含む）用や産業（測定等）用など様々な用途のレーザ装置に適用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、コストを抑えつつ、効率良く複数の異なる波長のレーザ光を出射させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の装置の外観図である。
【図２】本実施形態の装置の光学系及び制御系概略図である。
【図３】Ｎｄ：ＹＡＧロッドの発振線の種類を示す図である。
【図４】ベクトル位相整合について説明する図である。
【図５】本実施形態の装置の光学系の一部変容例である。
【符号の説明】
２コントロール部
４スリットランプ
１０レーザ発振器
１１ａ，１１ｂＮｄ：ＹＡＧロッド
１２ａ，１２ｂ半導体レーザ
１３ａ〜１３ｃ非線形結晶
１４ａ〜１４ｇ全反射ミラー
１５ａ〜１５ｄダイクロイックミラー
１６ａ〜１６ｅミラー
２０制御部

Claims

複数の異なる波長のレーザビームを選択的に出射可能なレーザ装置において、第１固体レーザ媒質を励起して第１レーザビームを得る第１共振光学系と、第２固体レーザ媒質を励起して第２レーザビームを得る第２共振光学系と、前記第１共振光学系の光路の一部を共用して第１レーザビームを共振させる第３共振光学系に対して前記第２共振光学系の光路の一部を共用して第２レーザビームを共振させる第４共振光学系を所定の角度で交差させ、両者の交差位置に非線形結晶を配置して第１レーザビームと第２レーザビームをベクトル位相整合させて第３波長レーザビームを得る第３波長レーザビーム生成光学系と、を備えることを特徴とするレーザ装置。
複数の異なる波長のレーザビームを選択的に出射可能なレーザ装置において、第１固体レーザ媒質を励起して得られた第１レーザビームを非線形結晶により第２高調波である第１波長レーザビームとする第１共振光学系と、第２固体レーザ媒質を励起して得られた第２レーザビームを非線形結晶により第２高調波である第２波長レーザビームとする第２共振光学系と、前記第１共振光学系の光路の一部を共用して第１レーザビームを共振させる第３共振光学系に対して前記第２共振光学系の光路の一部を共用して第２レーザビームを共振させる第４共振光学系を所定の角度で交差させ、両者の交差位置に非線形結晶を配置して第１レーザビームと第２レーザビームをベクトル位相整合させて第３波長レーザビームを得る第３波長レーザビーム生成光学系と、を備えることを特徴とするレーザ装置。