JP2020008657A - レーザ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光線力学的治療に用いられる波長範囲のパルスレーザ光を高効率かつ簡易に発生させ得るレーザ発生装置を提供する。
【解決手段】波長１０６４．２ｎｍで発振するＮｄ：ＹＡＧレーザとされた励起光源１２が発生する励起光ｐの光軸Ｌ上に、複数の相互に異なる特性を有する非線形光学素子１５からなる波長変換デバイス１６を有した光パラメトリック発振部１４が位置する。波長変換デバイス１６の複数の非線形光学素子１５のいずれかに励起光ｐが透過されると共にシグナル光ｓを出射する。光分離集合部２２のダイクロイックミラー２４、λ／２プレート２６、プリズム２８及び反射鏡３０により、励起光ｐがシグナル光ｓに対して分離され、斜め上方に送られる。光和周波発生部３４内のＫＴＰ結晶により形成された非線形光学素子３６内で励起光ｐとシグナル光ｓとが集光して、ノンコリニア位相整合としつつ光和周波発生して、出力光ｚを出射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光線力学的治療(PDT：Photodynamic Therapy)に用いられる波長範囲のパルスレーザ光を高効率かつ簡易に発生させるレーザ発生装置に関し、特に６３０〜６６４ｎｍの波長範囲の光線を発振するのに好適なものである。

近年、癌に対する光線力学的治療に半導体レーザやエキシマレーザ励起による色素レーザが用いられている。
この光線力学的治療は、腫瘍親和性光感受性物質を人体に投与する際に、腫瘍組織はこの光感受性物質の排出速度が健常組織と比べて遅く、腫瘍組織と健常組織との間に濃度差が生じることを前提としたものである。また、光感受性物質に対応した波長の赤色レーザ光を腫瘍組織に照射すると、腫瘍細胞に取り込まれたこの光感受性物質と光化学反応を起こして一重項酸素が発生する。この一重項酸素は酸化力が強く、健常組織に悪影響を与えること無く、腫瘍細胞のみが傷害を起こして壊死する。光線力学的治療はこのことを利用した治療である。

そして、この光線力学的治療には複数種類の光感受性物質が薬剤として現在使用されているが、この内の代表的なものを下記表１に示す。このうち、現在既に臨床で用いられているもの及び臨床応用への研究が進められているものは、表１のうち１、２、及び６の光感受性物質である。但し、これらの光感受性物質は薬剤毎に使用する活性化波長（Activation wavelengths）が異なり、使用する光の波長もこれらの活性化波長に合わせる必要がある。

また、光線力学的治療のためのレーザを発生する装置として、半導体レーザを用いた装置やエキシマレーザ励起による色素レーザ装置が従来から知られている。
しかし、現在の治療装置に使用されている半導体レーザは、波長がほぼ固定されていると共に連続光発振である。このため、波長がほぼ固定されることで、複数種類の光感受性物質を対応することはできなかった。さらに、連続光発振なのでピークパワーを高くできないのに伴って、治療の際に身体の細胞組織の深部にレーザ光を到達させることができなかった。

連続発振のレーザ光に対して、ピークパワーの高いパルスレーザ光を用いた場合、細胞組織の深部までレーザ光が到達することから、治療できる癌の範囲が拡大する。例えば、連続光では組織表面から光が到達する範囲は脳の場合で５〜１０ｍｍ程度との報告があるが、さらに細胞組織の深部にまで光を到達させることが期待できる。

一方、エキシマレーザ励起を用いた色素レーザ装置はパルス発振が得られるものの、レーザ媒質であるガスや色素の定期的交換が必要とされると共に装置が大型化する欠点を有していた。そのため、非線形光学素子を用いた全固体システムによる６３０〜６６４ｎｍの波長範囲のレーザ光源が必要とされている。

特開平１１−９５２７１公報 特開２０１６−６５８７１公報 特開平６−２２２公報

以上より、光線力学的治療のための赤色パルスレーザ光を発生する装置として、小型でメンテナンス性が良いと共に簡易に波長の切り替えが可能であり、表１にある複数の光感受性物質の各活性化波長においてピークパワーの高いパルスレーザ光を得られる装置が求められているものの、従来の半導体レーザを用いた装置やエキシマレーザ励起色素レーザを用いた装置では十分な性能を得られなかった。

これに対して、例えば光パラメトリック発振を用いたものとして、上記特許文献１〜３が挙げられる。この内の特許文献１においては、２段式のパラメトリック発振器により、赤外線領域において広帯域で波長可変なレーザ光を出力する技術が開示されている。但し、特許文献１では可視光帯域外とされる赤外線領域でのレーザ光とされるので、本願発明の課題に対応していない。

さらに、特許文献２では、１μｍ帯レーザの第２高調波などの短波長レーザの入力による光パラメトリック発振で約６５０〜約１４００ｎｍの波長範囲で連続的に同調可能なレーザ光発生技術が開示されている。但し、約６５０〜約１４００ｎｍの波長範囲では、表１に示す光感受性物質の一部にしか対応できていない。

特許文献３では、励起光としてＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波の入力による光パラメトリック発振で６３０ｎｍ前後のシグナル光に変換される技術が開示されている。この方式は、励起光である波長１０６４．２ｎｍのレーザ光を第１段階としてまず第２高調波（ＳＨＧ）に変換し、次に第２段階として変換に寄与しなかった励起光源と第２高調波の光和周波発生により第３高調波（ＴＨＧ）を発生させ、最後に第３段階として発生させた第３高調波で光パラメトリック発振（ＯＰＯ）を励起してシグナル光を発生させることで、赤色パルスレーザ光を得ている。

しかし、特許文献３のこの方式は３段階の波長変換プロセスのため、装置が大型化且つ複雑化するため、この装置は一時期同じ目的で実用化されていたが、現在製造は行われていない。

以上のことから、これら特許文献１〜３においても、光線力学的治療に用いられる波長範囲である６３０〜６６４ｎｍにおける波長可変のパルスレーザ光を高効率かつ簡易に発生させ得るものは存在していなかった。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、光線力学的治療に用いられる波長範囲のパルスレーザ光を高効率かつ簡易に発生させ得るレーザ発生装置を提供することを第１の目的とし、さらには６３０〜６６４ｎｍの波長範囲で波長可変なパルスレーザ光を発生させ得るレーザ発生装置を提供することを第２の目的とする。

上記課題を解決した請求項１記載の発明は、パルス状にレーザ光を発生するＮｄ：ＹＡＧレーザとされる励起光源と、
相互に特性の異なる複数のＣＫＴＡ結晶を備えた波長変換デバイスを該励起光源のレーザ光が通る入射光軸上に配置すると共に、該波長変換デバイスに該レーザ光が入射されて出射する他に、レーザ光より波長が長いシグナル光を少なくとも出射する光パラメトリック発振部と、
光パラメトリック発振部から出射されたレーザ光とシグナル光とを一旦分離すると共に相互に異なる方向から一点に集光させる光分離集合部と、
レーザ光とシグナル光との集光部分にＫＴＰ結晶が配置され、これら２つの光より波長の短い出力光を発生する光和周波発生部と、
を含むことを特徴とするレーザ発生装置である。

請求項１に係るレーザ発生装置によれば、光パラメトリック発振部の波長変換デバイス中に相互に特性の異なる複数のＣＫＴＡ結晶（Ｃｓ_xＫ_1-xＴｉＯＡｓＯ₄；０≦ｘ≦１）が組み込まれていて、Ｎｄ：ＹＡＧレーザとされる励起光源で発生されたパルスレーザ光である励起光が、この内の一つのＣＫＴＡ結晶に入射される。そして、この光パラメトリック発振部の波長変換デバイスに組み込まれた複数のＣＫＴＡ結晶のいずれかが、励起光よりも波長の長いシグナル光と波長変換に寄与せず透過した該励起光を同軸に出射する。

さらに、光分離集合部がこの光パラメトリック発振部から出射されたシグナル光と波長変換に寄与せず透過してきた励起光を一旦分離し、相互に異なる方向から光和周波発生部の非線形光学素子とされるＫＴＰ結晶（ＫＴｉＯＰＯ₄）に集光させることで、ノンコリニア位相整合が成立する。これに伴い、この光和周波発生部の非線形光学素子がこれら２つの光より波長の短い出力光である赤色パルスレーザ光を発生する。

この際、光和周波発生部でノンコリニア位相整合となることで、励起光及びシグナル光からなる入射光と光和周波発生部で発生する光和周波光（ＳＦＧ）が自動的に異なる方向に出力されることから、光線力学的治療に必要な光和周波光である赤色パルスレーザ光のみを確実に分離することが可能となる。

さらに、光和周波発生部においてノンコリニア位相整合特性を用いることで、ＫＴＰ結晶が有する光学特性を適切に利用することが可能となり、非臨界位相整合に近く非線形光学定数の大きくなる入射条件での波長変換が可能となる。その結果、高い変換効率が実現できると共に、相互に特性の異なる複数のＣＫＴＡ結晶を順次切り替えることで、通常は必要とされるＫＴＰ結晶の角度調整をほとんど行うことなく、例えば６３０〜６６４ｎｍの波長範囲における波長の簡易な切り替えが可能となる。

以上より、本実施の形態に係るレーザ発生装置によれば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザとされる励起光源がパルスレーザ光を発生し、これに合わせて非線形光学素子とされる複数のＣＫＴＡ結晶の内のいずれかが出射したシグナル光とレーザ光である励起光とを同時に異なる方向から同じく別の非線形光学素子とされるＫＴＰ結晶に集光させて、ノンコリニア位相整合とするようにした。

つまり、励起光源をＮｄ：ＹＡＧレーザとしたことで、光パラメトリック発振部及び光和周波発生部を介して、光和周波発生部が必要な波長とされる光線力学的治療のための６３０〜６６４ｎｍの波長範囲の出力光である赤色パルスレーザを高出力レーザとして容易に得ることができる。

この一方、パルス状のレーザ光を用いることでピークパワーを高くできるだけでなく、光線力学的治療の際に、身体の細胞組織の深部にレーザ光が到達可能となり、治療できる癌の範囲も拡大する。さらに、本実施の形態に係るレーザ発生装置は、必要な素子等が全て固体のシステムとされるので、小型化が図れるだけでなく、メンテナンスを殆ど必要としない装置ともなる。

請求項２の発明は、光パラメトリック発振部の前記波長変換デバイスが、前記入射光軸に対する交差方向に沿って前記ＣＫＴＡ結晶を複数並べて内部に設置可能なホルダーを外枠として有し、複数のＣＫＴＡ結晶が該ホルダーに対して一体的に備えられた構造とされる請求項１記載のレーザ発生装置である。
つまり、光パラメトリック発振部のうちの波長変換デバイスの外枠を構成する例えば金属製とされたホルダー内に、複数のＣＫＴＡ結晶を複数並べてホルダーに対して一体的に備えられている。

そして、これら複数のＣＫＴＡ結晶は相互に特性の異なる特性を有している。例えば光感受性物質に対応する活性化波長の赤色光を発生するための表１の右欄に示す活性化波長に必要なシグナル光波長を得るべく、非臨界位相整合に近く、且つ非線形光学定数の大きくなる入射方向であるθ＝９０°、φ＝０°（ここで、θ及びφは、ＣＫＴＡ結晶の誘電主軸ｘ、ｙ、ｚ軸に対する球面座標の角度を表す。以下、ＫＴＰ結晶においても同じものとする。）付近での波長変換を可能とする光学特性を有するように、ＣｓとＫの混晶比率ｘが調整されている。このため、各ＣＫＴＡ結晶が高い変換効率で所望の波長のシグナル光を発生できるので、最終的に必要な光線力学的治療のため赤色パルスレーザを容易に得ることができる。

請求項３の発明は、光パラメトリック発振部が、前記波長変換デバイスを挟みつつ、励起光源側に入力ミラーが配置され、光分離集合部側に出力ミラーが配置された構造とされる請求項１または請求項２記載のレーザ発生装置である。
従って、この光パラメトリック発振部がこのような入力ミラーと出力ミラーとで波長変換デバイスが挟まれた構造とされていることから、波長変換デバイス中の複数のＣＫＴＡ結晶によるレーザ光である励起光からシグナル光への変換効率を安定的に高めることが可能となる。

請求項４の発明は、光分離集合部がダイクロイックミラーと反射鏡を有し、ダイクロイックミラーがレーザ光とシグナル光とを分離し、これらの何れかの光を反射鏡で反射して、これらの光を相互に異なる方向から一点に集光させる請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザ発生装置である。
光分離集合部においてダイクロイックミラーと反射鏡を用いるのに伴って、分離したレーザ光とシグナル光とを相互に異なる方向から一点に集光できるので、ノンコリニア位相整合が実現できる。

請求項５の発明は、光パラメトリック発振部の波長変換デバイスをレーザ光の入射光軸に対する交差方向に沿って移動することで、いずれのＣＫＴＡ結晶にレーザ光が入射されるかを選択し、光和周波発生部が６３０〜６６４ｎｍの波長範囲の出力光を発生する請求項１から請求項４のいずれかに記載のレーザ発生装置である。

波長変換デバイスをレーザ光の入射光軸に対する交差方向に沿って移動して、いずれのＣＫＴＡ結晶にレーザ光が入射されるかを選択することのみで、波長切り替え可能である。従って、出力光を簡易に本来必要とされる光線力学的治療のために最適な６３０〜６６４ｎｍの波長範囲で任意波長の光とすることができる。このことから複数の光感受性物質の活性化波長においてピークパワーの高いパルスレーザ光が１台の装置で得られることになる。
また、本請求項によれば、波長切り替えの際にいずれのＣＫＴＡ結晶にレーザ光が入射されるかを選択するという、１カ所のみの操作をユーザーがするだけの安定的で簡易な装置ともなる。

本発明によれば、光線力学的治療に用いられる波長範囲のパルスレーザ光を高効率かつ簡易に発生させ得るレーザ発生装置が提供されるという優れた効果を奏し、さらには６３０〜６６４ｎｍの波長範囲で波長可変なパルスレーザ光を発生させ得るレーザ発生装置が提供されるという優れた効果を奏する。

また、上記のレーザ装置の発明を光線力学的治療に用いることにより、身体の細胞組織の深部にレーザ光が到達可能となり、治療できる癌の範囲も拡大する。さらに、本発明に係るレーザ発生装置は、必要な素子等が全て固体のシステムとされるので、小型化が図れるだけでなく、メンテナンスを殆ど必要としない装置ともなる。

本発明のレーザ発生装置の一実施の形態を示す図である。 一実施の形態に適用される複数のＣＫＴＡ結晶を一体構造とした波長変換デバイスを示す斜視図である。 一実施の形態に適用される複数のＣＫＴＡ結晶を一体構造とした波長変換デバイスを示す正面図、平面図及び側面図である。

本発明に係るレーザ発生装置の一実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。
図１に示すように、本実施の形態に係るレーザ発生装置１０は、波長１０６４．２ｎｍ（１．０６４２μｍ）でパルス発振するＮｄ：ＹＡＧ（Ｎｄ³⁺：Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）レーザとされた励起光源１２を有している。この励起光源１２の右隣の位置であって励起光ｐとされるレーザ光の入射光軸である光軸Ｌ上の位置には、光パラメトリック発振部１４が位置している。尚、この励起光ｐは矢印のように図１の上下方向が偏光方向Ｈｙとされる。

この光パラメトリック発振部１４内には、左からまず合成石英製の入力ミラー１８が配置されていて、１０６４．２ｎｍの波長において、この入力ミラー１８の透過率は９５％程度とされ、また、１５４４〜１７６６ｎｍの波長において反射率は９０〜９８％程度とされている。これにより、この入力ミラー１８が予め定められた１５４４〜１７６６ｎｍの波長の赤外線を反射し、１０６４．２ｎｍの波長のレーザ光を透過できることになる。

光軸Ｌ上におけるこの入力ミラー１８の右側に隣り合った光軸Ｌ上の位置には、異なる混晶比率ｘを有して相互に特性の異なる複数の非線形光学素子１５とされるＣＫＴＡ結晶を備えた波長変換デバイス１６が配置されている。

これら複数の非線形光学素子１５とされるＣＫＴＡ結晶の長さは、１０〜１５ｍｍ程度とそれぞれされている。また、波長変換デバイス１６の外枠を構成するアルミニウムや鋼等の金属製とされたホルダー１６Ａ内に、図２及び図３に示されるように複数の非線形光学素子１５が光軸Ｌに対して直交する方向のｙ軸方向に並べられて、配置されている。

そして、各非線形光学素子１５間の間隔を５〜１０ｍｍ程度として非線形光学素子１５の上部、下部及び側面部がこの波長変換デバイス１６のホルダー１６Ａに保持されることで、各非線形光学素子１５が波長変換デバイス１６に一体的に備えられている。これに伴い、各非線形光学素子１５の一方の入射面に励起光ｐが入射された場合に、他方の出射面から励起光ｐ及びシグナル光ｓが透過する構造に、これら複数の非線形光学素子１５はそれぞれなっている。

さらに、図示しないもののモータ等の動力源に対して操作調整部から操作することで、この波長変換デバイス１６を光軸Ｌに対して直交するｙ軸方向に平行移動ｍして、複数の非線形光学素子１５のうちのいずれか１つに励起光ｐを入射するようにすることで、励起光ｐを入射する非線形光学素子１５が選択できる。

尚、図１から図３はｙ軸方向に平行移動ｍさせた場合を示すが、複数の非線形光学素子１５を光軸Ｌに対して直交するｚ軸方向に並べて配置した場合、波長変換デバイス１６をｚ軸方向に平行移動ｍすることになる。

また、非線形光学素子１５とされる各ＣＫＴＡ結晶は結晶のｘ軸に平行であって、ｙ、ｚ軸に直角に形成されていて、非臨界位相整合する状態の赤外波長変換素子とされている。具体的には、図１及び図３に示す紙面に垂直方向をｚ軸とし、このｚ軸と垂直且つ光軸Ｌと直交する方向を図１及び図３の上下方向としたｙ軸とすると共に、これらｙ軸、ｚ軸と垂直且つ光軸Ｌに沿った方向をｘ軸とするように、各ＣＫＴＡ結晶は配置されている。

この非線形光学素子１５は光パラメトリック発振（ＯＰＯ）をし、励起光ｐが入射されて、該レーザ光より波長が長く且つ相互に異なる２つの波長のコヒーレントな赤外線を出力するが、波長変換デバイス１６を光軸Ｌに垂直方向に平行移動ｍして光パラメトリック発振をするＣＫＴＡ結晶を選択することにより、夫々のＣＫＴＡ結晶の光学特性に応じて射出する赤外線の波長が切り替わる特性を有している。

尚、上記励起光ｐ、シグナル光ｓ及びアイドラー光ｉの間には、非線形光学論系に基づき次の数１に示す式の関係が成り立っている。但し、λ_pは励起光ｐの波長、λ_sはシグナル光ｓの波長、λ_iはアイドラー光ｉの波長である。

（数１）
１／λ_p ＝1／λ_s＋1／λ_i

ここで、励起光ｐの波長は１０６４．２ｎｍであり、シグナル光ｓの波長範囲は１５４４〜１７６６ｎｍとされ、アイドラー光ｉの波長範囲は３４２４〜２６７８ｎｍとされるが、このアイドラー光ｉは使用しない。尚、非線形光学素子１５のＣＫＴＡ結晶（Ｃｓ_xＫ_1-xＴｉＯＡｓＯ₄；０≦ｘ≦１）について、シグナル光と混晶比率ｘの関係は数２の式で表される。

（数２）
ｘ＝１．１８１×１０^-8λ_s ³−６．６０２×１０^-5λ_s ²＋０．１２７２λ_s−７８．５９７

なお、λ_sの単位はｎｍであり、数２の式を用いることで表１に示す所望のシグナル光波長に対応するＣＫＴＡ結晶のＣｓの混晶比率ｘを±０．０１程度の精度で求めることができる。

そして、１０６４．２ｎｍの励起光ｐが波長変換デバイス１６の非線形光学素子１５のいずれかに入射される。この場合、これら非線形光学素子１５のいずれもが２つの波長の赤外線とされる２つのコヒーレントなシグナル光ｓとアイドラー光ｉを出射することになる。この際、励起光ｐも非線形光学素子１５を透過してそのまま出射される。

また、光軸Ｌ上における波長変換デバイス１６の右側に隣り合った光パラメトリック発振部１４内の位置には、合成石英製の出力ミラー２０が配置されている。但し、シグナル光ｓと励起光ｐの一部はこの出力ミラー２０を透過するようになる。尚、１０６４．２ｎｍの波長において、この出力ミラー２０の透過率は７０〜９０％程度とされ、また、１５４４〜１７６６ｎｍの波長において、この出力ミラー２０の反射率は７０〜９０％程度とされている。

以上より、この光パラメトリック発振部１４は、波長変換デバイス１６を挟みつつ、励起光源１２側に入力ミラー１８が配置され、これと反対側に出力ミラー２０が配置された構造とされるシングルパス形となって、少なくとも励起光ｐ及びシグナル光ｓがこの光パラメトリック発振部１４から出力される。

さらに、光軸Ｌ上には、波長毎に光線を分離するダイクロイックミラー２４が光軸Ｌに対して４５°の角度θ１で傾けて配置されていて、１５４４〜１７６６ｎｍの波長範囲のシグナル光ｓはこのダイクロイックミラー２４をそのまま透過する。これに対して、１０６４．２ｎｍの波長の励起光ｐはダイクロイックミラー２４で反射して図１の下方に送られる。このダイクロイックミラー２４の下方には、位相を９０°変更して偏光方向を変えるλ／２プレート２６が配置され、さらにその下方に励起光ｐの位置をずらしつつ図１の上方向に反射するためのプリズム２８が配置されている。このプリズム２８の上部右寄りの位置には、光軸Ｌに対して１０．２°の角度θ２で傾いて反射されるように反射鏡３０が配置されている。尚、プリズム２８は励起光ｐとシグナル光ｓの非線形光学結晶３６への入射のタイミングが最適化する位置である。

そして、以上のダイクロイックミラー２４、λ／２プレート２６、プリズム２８及び反射鏡３０により、本実施の形態の光分離集合部２２が構成される。従って、ダイクロイックミラー２４が励起光ｐとシグナル光ｓとを分離し、この励起光ｐがλ／２プレート２６で偏光方向が変更されつつ透過すると共にプリズム２８で反射する。更に反射鏡３０で反射して光軸Ｌに対して約１０．２°の角度となる斜め上方に、この励起光ｐは送られる。ただし、この励起光ｓの偏光方向Ｈｘは、図１の紙面に対して垂直方向となる。

以上より、一旦分離された励起光ｐと光軸Ｌに沿って直進するシグナル光ｓとが相互に異なる方向から、この光分離集合部２２の右隣に位置する光和周波発生部３４内の一点に集光されることになる。

この一方、この光和周波発生部３４内には、ＫＴＰ結晶（ＫＴｉＯＰＯ₄）により形成された長さ１０ｍｍ程度の非線形光学素子３６が光軸Ｌに沿った位置に配置され、光和周波発生部３４自体を構成している。尚、この非線形光学素子３６のＫＴＰ結晶は、励起光ｐとシグナル光ｓとの中間的な傾きに軸方向がなっているが、非線形光学定数が大きいθがおよそ８５〜９０°で、φが０°とされている。さらに、前述の励起光ｐとシグナル光ｓとが一点に集光される際に、非線形光学素子３６内で集光するようにして、ノンコリニア位相整合とする。このとき、このＫＴＰ結晶とされる非線形光学素子３６でＳＦＧ光が発生する。

他方、非線形光学論系に基づいたものとして上記の光パラメトリック発振と異なる光和周波発生もあるが、これは非線形光学素子の結晶に、例えばコヒーレントな励起光ｐ及びシグナル光ｓを同時に入力することにより、これらより短波長のコヒーレント光であるＳＦＧ光を出力光ｚとして出力するものである。尚、上記励起光ｐ、シグナル光ｓ及び出力光ｚの間には、次の数３に示す式の関係が成り立っている。但し、λ_pは励起光ｐの波長、λ_sはシグナル光ｓの波長、λ_zはＳＦＧ光ｚの波長である。

（数３）
１／λ_p＋1／λ_s＝1／λ_z

つまり、励起光ｐとシグナル光ｓとの集光部分に非線形光学素子３６が配置され、これら２つの光より波長の短い６３０〜６６４ｎｍの出力光ｚを発生することになる。

次に、本実施の形態に係るレーザ発生装置１０の作用を説明する。
本実施の形態に係るレーザ発生装置１０によれば、光パラメトリック発振部１４の波長変換デバイス１６中に相互に特性の異なる複数の非線形光学素子１５とされるＣＫＴＡ結晶（Ｃｓ_xＫ_1-xＴｉＯＡｓＯ₄；０≦ｘ≦１）が組み込まれていて、Ｎｄ：ＹＡＧレーザとされる励起光源１２で発生されたパルスレーザ光である励起光ｐが、この内の一つの非線形光学素子１５に入力ミラー１８を介して入射される。これに伴い、この光パラメトリック発振部１４の波長変換デバイス１６に組み込まれた複数の非線形光学素子１５のいずれかが出力ミラー２０を介して、励起光ｐよりも波長の長いシグナル光ｓと波長変換に寄与せず透過した該励起光ｐを同軸に出射する。

この際、波長変換デバイス１６の外枠を構成するホルダー１６Ａ内には、これら複数の非線形光学素子１５とされるＣＫＴＡ結晶が、光軸Ｌに対する直交方向であるｙ軸方向に沿って複数並べられて、波長変換デバイス１６に対して一体的に備えられている。

これに伴い、操作調整部からモータ等の動力源を操作することで、波長変換デバイス１６を光軸Ｌに対して直交するｙ軸方向に平行移動ｍして、相互に特性の異なる複数の非線形光学素子１５のうちのいずれか１つに励起光ｐを入射させることで、励起光ｐを入射する非線形光学素子１５を任意に選択することができる。

さらに、光分離集合部２２がこの光パラメトリック発振部１４から出射された励起光ｐとシグナル光ｓとを波長毎に光線を分離するダイクロイックミラー２４により一旦分離し、励起光ｐがλ／２プレート２６、プリズム２８を介して反射鏡３０に送られ、この反射鏡３０で励起光ｐが最終的に反射して、これら励起光ｐとシグナル光ｓとを相互に異なる方向から一点に集光させる。

この際、相互に異なる方向から光和周波発生部３４の非線形光学素子３６とされるＫＴＰ結晶に集光させることで、ノンコリニア位相整合となる。これに伴い、この光和周波発生部３４の非線形光学素子３６がこれら２つの光より波長の短い出力光ｘとされる必要な波長の赤色パルスレーザを発生する。

以上より、本実施の形態に係るレーザ発生装置１０によれば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザとされる励起光源１２がパルス状のレーザ光である励起光ｐを発生し、これに合わせて非線形光学素子１６とされるＫＴＡ結晶が出射したシグナル光ｓと励起光ｐとを相互に異なる方向から非線形光学素子３６とされるＫＴＰ結晶に集光させて、ノンコリニア位相整合となるようにした。

このように光和周波発生部３４でノンコリニア位相整合としたことで、非線形光学素子３６とされるＫＴＰ結晶のダメージ防止や変換効率の最適化を図ることができる。また、プリズム２８の位置を予め調整することで励起光ｐとシグナル光ｓのパルスの入射タイミングが調整可能となり、ピコ秒などの超短パルス化に対応可能となる。そして、ノンコリニア位相整合を採用することで、光和周波発生部３４で発生する出力光ｚは、励起光ｐ及びシグナル光ｓの入射光とは別方向に発生する。そのため、ＳＦＧ光である赤色パルスレーザ光のみを光学素子を用いることなく確実に分離することが可能となる。

さらに、非線形光学素子３６とされるＫＴＰ結晶において、ノンコリニア位相整合特性を用いることで、光の入射方向が非線形光学定数の大きなｘ軸（θ＝９０°、φ＝０°）方向付近になり、６３０〜６６４ｎｍの波長範囲で高い変換効率でのＳＦＧ光発生が期待できると共にＫＴＰ結晶の角度調整もほとんど不要となるため、操作性に優れた装置となる。

この一方、本実施の形態のようにピークパワーを高くすることができるパルス状のレーザ光を用いることで、光線力学的治療の際に、身体の細胞組織の深部にレーザ光が到達可能となり、治療できる癌の範囲も拡大が期待できる。

つまり、励起光ｐの光軸Ｌに対するこの波長変換デバイス１６を光軸Ｌに対して垂直方向に平行移動の操作のみで、波長切り替えが可能であって、出力光ｚを本来必要とされる光線力学的治療のために最適な６３０〜６６４ｎｍの波長範囲において発振波長を簡易に切り替えることができる。このことから複数の光感受性物質に対応するピークパワーの高い赤色パルスレーザ光が1台のレーザ装置で得られることになる。

さらに、本実施の形態に係るレーザ発生装置１０は、励起光源１２を固体のＮｄ：ＹＡＧレーザとし、光パラメトリック発振部１４の波長変換デバイス１６及び光和周波発生部３４の非線形光学素子３６の素子もそれぞれ固体の結晶であり、必要な素子等が全て固体のシステムのため、メンテナンスを殆ど必要としない装置ともなる。

そして、波長変換デバイス１６の外枠を構成するホルダー１６Ａ内に、複数のＣＫＴＡ結晶が複数並べられて、波長変換デバイス１６に対して一体的に備えられている。このため、この波長変換デバイス１６を平行移動ｍすることで、光感受性物質に対応する活性化波長の赤色光を発生するための表１のような活性化波長に必要なシグナル光波長λ_sがそれぞれ得られることになる。

具体的には、例えば４つの非線形光学素子１５を１５４４ｎｍ、１５７４ｎｍ、１６８３ｎｍ、１７６６ｎｍにシグナル光波長λ_sを設定すれば、表１の「腫瘍親和性光感受性物質」のＮｏ．１〜６までに対応可能となる。但し、非線形光学素子１５を５つとして、５つめを１７７３ｎｍにシグナル光波長λ_sを設定すれば、表１の全てに対応可能となる。

以上より、非線形光学素子１５とされる各ＣＫＴＡ結晶が高い変換効率で所望の波長のシグナル光を発生できるので、最終的に必要な光線力学的治療のため赤色パルスレーザを容易に得ることができる。

尚、本実施の形態では、非線形光学素子１５としてＣＫＴＡ結晶を用いているが、ＫＴＰ同類体（ＫＴｉＯＰＯ₄、ＲｂＴｉＯＰＯ₄、ＲｂＴｉＯＡｓＯ₄）又は分極周期反転に加工された公知の非線形光学結晶に置き換えても良い。

さらに、本実施の形態では、ホルダー１６Ａ内に複数の非線形光学素子１５が光軸Ｌに対して垂直方向あるいは直交方向に波長変換デバイス１６が並べられているが、単に光軸Ｌに対して交差方向に並べても良い。これに伴い、波長変換デバイス１６を光軸Ｌに対して垂直あるいは直交するｙ軸方向に平行移動ｍする替わりに、単に光軸Ｌに対して交差方向に移動してもよい。

また、上記実施の形態では、入力ミラーや出力ミラーを合成石英製としたが、他の公知な材質を用いても良い。さらに、光軸Ｌに対しての励起光ｐの傾きである角度θ２を１０．２°とし、ノンコリニア位相整合の際の角度も１０．２°となるが、これらの角度は他の角度としても良い。

図１〜３の波長変換デバイス１６は、相互に特性の異なる４つの非線形光学素子１５で構成されているが、非線形光学素子１５の数量は使用者が想定する複数の光感受性物質の数量に応じたものでもよい。

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は係る実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明は、高出力のレーザが必要なさまざまな技術分野に適用でき、医療用だけでなく産業用等の他の技術分野にも適用可能なものである。

１０ レーザ発生装置
１２ 励起光源
１４ 光パラメトリック発振部
１５ 非線形光学素子（ＣＫＴＡ結晶）
１６ 波長変換デバイス
１６Ａ ホルダー
１８ 入力ミラー
２０ 出力ミラー
２４ ダイクロイックミラー
２６ λ／２プレート
２８ プリズム
３０ 反射鏡
２２ 光分離集合部
３４ 光和周波発生部
３６ 非線形光学素子（ＫＴＰ結晶）
ｐ 励起光
ｓ シグナル光
ｚ 出力光

Claims (5)

1. パルス状にレーザ光を発生するＮｄ：ＹＡＧレーザとされる励起光源と、
   相互に特性の異なる複数のＣＫＴＡ結晶を備えた波長変換デバイスを該励起光源のレーザ光が通る入射光軸上に配置すると共に、該波長変換デバイスに該レーザ光が入射されて出射する他に、レーザ光より波長が長いシグナル光を少なくとも出射する光パラメトリック発振部と、
   光パラメトリック発振部から出射されたレーザ光とシグナル光とを一旦分離すると共に相互に異なる方向から一点に集光させる光分離集合部と、
   レーザ光とシグナル光との集光部分にＫＴＰ結晶が配置され、これら２つの光より波長の短い出力光を発生する光和周波発生部と、
   を含むことを特徴とするレーザ発生装置。
2. 光パラメトリック発振部の前記波長変換デバイスが、前記入射光軸に対する交差方向に沿って前記ＣＫＴＡ結晶を複数並べて内部に設置可能なホルダーを外枠として有し、複数のＣＫＴＡ結晶が該ホルダーに対して一体的に備えられた構造とされる請求項１記載のレーザ発生装置。
3. 光パラメトリック発振部が、前記波長変換デバイスを挟みつつ、励起光源側に入力ミラーが配置され、光分離集合部側に出力ミラーが配置された構造とされる請求項１または請求項２記載のレーザ発生装置。
4. 光分離集合部がダイクロイックミラーと反射鏡を有し、ダイクロイックミラーがレーザ光とシグナル光とを分離し、これらの何れかの光を反射鏡で反射して、これらの光を相互に異なる方向から一点に集光させる請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザ発生装置。
5. 光パラメトリック発振部の波長変換デバイスをレーザ光の入射光軸に対する交差方向に沿って移動することで、いずれのＣＫＴＡ結晶にレーザ光が入射されるかを選択し、光和周波発生部が６３０〜６６４ｎｍの波長範囲の出力光を発生する請求項１から請求項４のいずれかに記載のレーザ発生装置。

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