JPH08509843A

JPH08509843A - インタリーブ出力を有するソリッドステートレーザ

Info

Publication number: JPH08509843A
Application number: JP6524290A
Authority: JP
Inventors: コナーズ、ケビン・ピー; ホバート、ジェイムズ・エル; リード、エドワード・ディー; トロスト、デイビッド; ボシー、ケネス・ジェイ; マッカーニン、トマス・ウィリアム; ミッチェル、ジェラルド・エム; ヤーボロ、ジェイ・マイケル
Original assignee: コヒーレント・インク
Priority date: 1993-05-05
Filing date: 1994-04-07
Publication date: 1996-10-15
Also published as: EP0697143A1; US6115396A; US5781574A; US5659563A; US5375132A; WO1994026010A3; WO1994026010A2; US5999555A

Abstract

(57)【要約】複数の個々のレーザ棒状体１１−１４を用いるパルス状ソリッドステートレーザシステム１０が開示され、レーザ棒状体は順次励起されそのビームが単一のインタリーブ出力ビーム３４に結合される。個々のレーザ棒状体１１−１４は、各棒状体からの最大出力電力に対するレベルより低い平均電力レベルで励起され、それにより冷凍冷却を不要にしている。小型光学システムが開示され、同システムはたとえ異なった励起レベルにおいても一定ビームサイズを可能にしかつその他の利点も得られる。小型冷却装置も同様に開示されている。

Description

【発明の詳細な説明】インタリーブ出力を有するソリッドステートレーザ発明の背景１発明の技術分野本発明はパルス状レーザ、特に光学的に励起されるソリッドステートレーザに関する。特に本発明は光学的に励起されるレーザに用いられ、同レーザは複数のレーザ棒状体から成り、各レーザ棒状体はその最大出力操作未満のレベルで光学的に励起され、冷凍冷却が不要になるようにされる。２関連技術の説明多くの従来型ソリッドステートレーザシステムは、ソリッドステート利得媒体を放射状態に励起させる光学的励起装置を用いる。例えば、或る種の従来型ソリッドステートレーザシステムにおいては、利得媒体は円筒形棒状体（ロッド）であり、光学的励起装置は棒状体に対して平行に配置された細長い閃光ランプから成る。棒状体を光学的に励起させるための放射エネルギは、ランプから棒状体の中央縦軸上に焦点が合わされる。棒状体及び隣接する閃光ランプは反射性ハウジング内に取り付けられる。全組立体（棒状体、閃光ランプ及びハウジングから成る）は『レーザヘッド』と称する。一般的に用いられる大抵のソリッドステート利得媒体は、放射操作中比較的高温に保つことができる。しかし、ホルミウム（Ho）・YAG材料、ホルミウム・YLF 材料及びその他のホルミウム不純物添加の利得媒体のような、ソリッドステート利得媒体の中には、最大電力出力を得るために放射操作中低温（例えば、約+10 ℃乃至-15℃の範囲）に保つのが望ましいものもある。この目的のためには冷却装置が必要となる。何故ならば、さもなければ閃光ランプ（又は他の光学的励起装置）は全レーザヘッド（利得媒体を含めて）の温度を望ましくない高レベルに上昇させるからである。従来のレーザは、上記の温度範囲を得るために冷凍冷却を用いている。しかし、冷凍冷却式Ho・YAGレーザは重大な欠点を有する。すなわち、冷却装置は概して重く、かさばり、騒々しく、製造費が高い。また、典型的な水・アルコール冷凍冷却液を有するレーザシステムには出荷上の問題がある。同様に、たとえ冷凍を用いてもHo・YAGレーザの効率が下がらないうちに同レーザを励起できる程度には限度がある。さらに光学的励起率及び強度を増大させることはHo・YAGレーザを損傷させる危険を伴う。発明の概要本発明は、複数のレーザ棒状体を有する光学励起式ソリッドステートレーザで、棒状体の各々が連続的に励起される。各レーザ棒状体の出力は単一のパルス状出力ビームに結合される。個々のレーザ棒状体は、最大レーザ効率に対する電力レベルより低いレベルで励起される。出力を最大にするために単一レーザ棒状体を高反復率、すなわち、速度で励起するが、冷凍冷却を必要とするよりはむしろ、複数のレーザ棒状体を用いて各個々のレーザ棒状体に対する反復率を低下させる。特に、反復率はレーザ媒体の熱緩和時間以下になるように選択し、標準の空・水冷システムを用いて媒体における熱の蓄積を防止できるようにする。各レーザ棒状体を励起するための反復率が低下するので、各レーザ棒状体の冷凍冷却は必要ない。しかし、出力ビームは各個々のレーザ棒状体の組合わせなので、レーザパルス率及び平均エネルギレベルは高い。４つのHo・YAG棒状体を用いる実際の実施態様の場合には、各レーザ棒状体は10Hzでパルス化され、各棒状体の出力が結合されて単一出力ビームにインタリーブされる。インタリーブされたパルス率は100ワットの電力レベルで40Hzであり、それは冷凍冷却される大抵の単一棒状体を用いたHo・YAGレーザのレベルを上回る。本発明の他の面によれば、個々のレーザ棒状体の出力をインタリーブするための改良された小型光学システムが提供される。同光学放射システムは、ビームサイズがレーザ励起電力とほぼ無関係であることを保証する。これは医療レーザシステムのような多くの用途にとって重要である。図面の簡単な説明図１は、本発明の実施態様のソリッドステートレーザの透視図である。図２は、本発明のソリッドステートレーザの好ましい実施態様の側面図である。図３は、矢印A-Aにおける図２のレーザの断面図である。図４は、矢印B-Bにおける図２のレーザの断面図である。図５は、図２の一レーザヘッド底部の部分断面図である。図６は、図２のレーザ用高電圧電源の構成図である。図７は、図６の電源用制御回路のブロック構成図である。図８は、個々のレーザ出力及び結合されたインタリーブビームの関係を示すタイミング図である。図９Ａ−９Ｃは、光学システム内のレーザビームの直径を、レーザ空洞からの距離及び励起電力の関数として例示する。図１０は、本発明のレーザシステム用冷却システムのブロック構成図である。図１１は、冷却システム内のレーザヘッドの関係を示す。図１２は、図１１の熱交換を例示する拡大図である。好ましい実施態様の詳細な説明図１−４を参照して本発明の好まし実施態様を述べる。図示のソリッドステートレーザ１０は４つの別個のレーザヘッド組立体１１−１４を有する。レーザヘッド組立体と関連するのは、各レーザヘッドのレーザ空洞を定める共振器鏡対１６及び１８である。各鏡１６は全反射性で、各鏡１８は標準的な部分透過性である。光学的に励起されると、レーザヘッド１１−１４に対して出力ビーム２０、２２、２４及び２６が与えられる。レーザヘッド１１−１４はヘッド支持構造体２８により保持かつ支持され、支持構造体は、図２に示す中央穴３２を有する水平支持体３０を含む。レーザ１０からのインタリーブパルス出力ビーム３４は穴３２を通過する。各パルス状レーザビーム出力２０、２２、２４及び２６に対して光学路３６が与えられ、路は鏡３８、反射器４０及び回転反射くさび状体４２から成る。各レーザヘッド組立体の出力は鏡３８上に作像される。同鏡は曲面を有し、回転反射くさび状体４２上にビームの焦点を合わせる。反射器４０は曲面を持たない平坦な鏡である。インタリーブされた出力ビーム３４を形成する反射くさび状体４２の表面は曲面を有し、レンズ３５で出力信号の焦点を、例えば、外科用ファイバーオプティックス製放出管の面上に合わせるようにする。各共振器鏡１６は鏡マウント（台）に支持され、同マウントは、出力ビーム３４を通過させるための中央穴４８を持つ第１共振器支持体４６に調節可能に固定される。同様に鏡１８は鏡マウント５０に支持され、同マウントは、第２共振器支持体５２に調節可能に固定されると共に反射器マウント５４おも支持する。回転反射くさび状体４２は、共に支持体５８上に取付けられるモータ５６により回転される。支持体５８も同様に調節可能な方法で出力結合器３８のマウント６０を固定する。次節で詳説するように、回転反射くさび状体４２は順次４つの各位置まで回転される。反射体４２が４つの位置の１つで停止すると、同反射体は反射体３８及び４０と合同して、共通出力路３４に沿ってレーザヘッド１１−１４の１つからの光学路を与える。反射体４２が４つの位置の１つにある度毎に、対応するレーザヘッドが加圧されて回転反射くさび状体４２の面上に、その後出力路３４に沿ってレーザパルスを与える。反射体４２が４つの位置の各々まで回転し、対応するレーザが加圧されるとき、インタリーブされたパルスレーザ出力が出力路３４に沿って反射体４２から与えられる。図５は、本発明による、拡散反射体と呼ばれる種類の、実際の一レーザヘッド組立体１１を示す。能動放射媒体は、円筒状Ho・YAGレーザ棒状体６２である。レーザ棒状体６２は、卵状の細長いダイナシル硝子製囲い６６から成る第１チャンネル６４内にはめ込まれる。硝子製囲い６６内の第２チャンネルは、光学的にレーザ棒状体６２を励起するための細長い閃光ランプ７０を収容する。閃光ランプ７０は端子７２及び７４で終結される。硝子製囲い６６を包囲するのは、BaSo₄ ７６のジャケット（外被）で、同ジャケットは光反射体として作動し励起源７０の効率を最大化するようにする。BaSo₄７６と硝子製囲い６６との組合わせは、アルミニウムハウジング７８内に収容される。各レーザ棒状体６２は最大出力に対しては励起されないので、各レーザヘッド組立体を冷却するための冷凍は不要である。すなわち、レーザパルス当たりの励起エネルギとパルス率との積は、本発明のレーザに対しては概して冷凍冷却されるHo・YAGレーザで用いられるものより小さい。冷却は、ヘッド組立体を通して脱イオン化水を通過させることにより行われる。冷却水は、入口８０に入り、レーザヘッドブロック８２を通って出口８４を出る。栓８６がブロック８２への通過を可能にする。Ho・YAGレーザ棒状体６２は、長さが31/2インチで直径が4mm である。図６は、高圧電源８７の構成図で、同電源は各閃光ランプ６２を順次始動させ、それがまた各レーザ棒状体７０を励起させる。各閃光ランプは、外部始動ワイヤ８８と関連し、それがまた個々の始動状態の電源９０−９３に接続される。電源９０−９３は各始動ワイヤ３８に十分な電場を維持し、閃光ランプ７０内のガスがイオン化されて伝導状態になるようにされる。しかし、伝導水準は約100ミリアンペアと低く、棒状体６２の放射を始動させるのに十分な光が放出されない。閃光ランプ７０と直列に接続されるのはSCR９６−９９で、それぞれゲート電極１０２−１０５を有する。各SCRはインダクタンス１０８及びキャパシタンス１１０と接続される。キャパシタンス１１０は、調節された定電流源１１２により約1.5kVに充電される。作動に当たり閃光ランプ７０は、レーザヘッド１１−１４のレーザ棒状体６２を順次加圧するために光の高電力バーストを与えるレベルまで順次加圧される。これは適切なゲート電極１０２−１０５に信号を与えることにより、SCR９６− ９９の各々をオフ状態からオン状態に順次転換することにより達成される。これが起こると、キャパシタンス１１０が選択された閃光ランプを通して放電される。回路８７の作動につき、キャパシタンス及びSCR制御回路１１４のブロック構成図である図７を参照してさらに説明する。エンコーダ１１６は、回転反射くさび状体４２の位置を検知する。この位置情報がマイクロプロセッサ１１８に供給され、それがまたSCR９６−９９の切替えの順序及びタイミングを制御する。すなわち、回転くさび状体がレーザヘッド１１からの出力ビームを受容する位置にある場合には、対応する閃光ランプのSCRがライン１１９を介してオンに切替えられて相当するレーザ棒状体が加圧される。これは回転くさび状体４２が次のレーザヘッドからのビームに対する準備ができる度毎に再び起こる。各レーザ棒状体６２は、それと関連した幾分異なった効率を有する。合成出力ビーム３４は同一大きさのパルスを持つことが重要なので、個々のレーザ棒状体の差を考慮しなければならない。これは調節された電流源１１２及びキャパシタンス１１０の充電レベルを制御することにより達成される。各レーザ棒状体の出力電力が経験的に測定され、各レーザ棒状体からの出力パルスを等しく保っためにキャパシタンスが充電されなければならない程度がマイクロプロセッサ１１８のルックアップ表に記憶される。さらに、一定出力パルスを維持するために帰還が与えられる。ピックオフ１２０が各出力パルスをサンプリングし、パルスの大きさを示す信号がマイクロプロセッサ１１８に送られる。ルックアップ表と、各閃光ランプからの出力はキャパシタンス１１０の電圧の二乗に比例することに基づいて、マイクロプロセッサ１１８が電流源１１２を制御することにより各レーザ棒状体につきキャパシタンス１１０に蓄積される電圧を制御し、それがまた各閃光ランプの出力を決定する。実際の実施態様においてモータ５６はEscape社から提供される。それは100ミリセカンド毎に完全に一回転する。それは５ミリセカンドの間に亘り４回停止する。一実施態様では、キャパシタンス１１０は140ufでインダクタンス１０８は3 00マイクロヘンリである。閃光ランプ７０は、セリウム不純物を添加された石英外被を有し、圧力1000トルのキセノンガスで満たされる。４つの閃光ランプ７０からの結合電力は約5000ワットである。図８は、個々の各棒状体からの出力間の関係を示すタイミング図である。ヘッド組立体１１−１４にHo・YAG棒状体を用いた実際の一実施例では、各々が10Hz の反復率でパルス化される。結果として生じたインタリーブされた出力ビームの反復率は40Hzである。本発明は特定数の個々の棒状体又は特定の反復率に限定されないことを理解されたい。重要なことは、平均励起電力を所与の任意の棒状体に対する最大出力電力に対するものより低く保つことである。電力は励起エネルギと励起反復率との積に等しいので、レーザ棒状体の熱緩和をさせるために各励起入力光パルスに続いて十分な時間に亘り個々のレーザ棒状体を励起するに当たり双方を変えることで、冷凍冷却を必要とするのに十分なほど温度蓄積が大きくならないようにすることができる。上記レーザはHo・YAGレーザ棒状体の実施態様につき記載したが、本発明によれば他のソリッドステートレーザを用いてもよい。さらに、結合すべき個々のレーザは同一波長のものである必要はなく、組織に対する作用を変えるようにすることがことができる。すなわち、個々のレーザ棒状体は異なった材料製のものでよく、結果的にインタリーブ出力３４内で異なったパルス特性に帰着する。本発明の光学システムは幾つかの点で独特である。それは小型でありかつたとえレーザ棒状体がより大きな電力レベルで励起されるにつれて熱レンズ作用がより強くなっても、励起電力に依存しないサイズ（直径）のインタリーブ出力ビームを与える。光学システムは、光学繊維放出システム内部で一定開口数（ビーム発散）のレーザビームを与えるという意味でも独特である。また、たとえ回転反射体４２がレーザビームに関して幾分正しい位置からはずれているとしても、光学繊維への入力におけるレーザビームの作動は極めて一定に保たれるように配置される。３つの特性のすべてを同時に実現するために、レーザ内部の一定ビーム直径の点は第１に移動要素上に作像され、その後この像が繊維の入力端に中継される。同時に一定像サイズの第２点が、最終像を繊維上に発生させる焦点レンズに収束される。これはさらに図９Ａを参照することにより最も良く理解される。同図のｘ軸は、一レーザヘッド１１−１４の出力結合器１８の１つからの光学路に沿って測定された距離を表す。ｙ軸はレーザヘッドからのビーム直径を表し、一連のラインは励起電力の関数としてビーム直径を表わす。例えば、出力ビーム直径は励起電力に依存して１から４ｍｍまで変化することが分かる。レーザ共振器は、出力結合器１８から約15cmの位置にある湾曲した鏡３８の面に相当する点１２５にビームを作像するよう設計される。鏡３８は、レーザビームを点１２７に再焦点合わせするための曲線を有する凹面で、点は回転鏡４２の面に相当する。図９Ａ及び図１から分かるように、これは出力結合器１８から約40cmの距離で起こる。回転鏡４２も同様に湾曲した凹面を有し、レンズ３５上の点１２９にビームの焦点を合わせる。レンズは光学繊維外科放出管３７の一部であって、そこで周知の方法でレンズ３５は光学繊維、すなわち、光学繊維束３７の一端にビームの焦点を合わせる。横寸法が有限な利得媒体を有するあらゆるレーザ空洞において、レーザ電力にかかわらず利得媒体の幅の制限がビーム幅が一定になる点を定めるということはよく知られている。すなわち、各レーザ空洞内の点においてレーザビームは利得媒体と同一幅を有する。出力結合器１８が、点１２７に相当するこの点の像の焦点を回転鏡４２上に再び合わせ、その後この点の像は光学繊維３７への入力で再び焦点が合わされる。このように外科用光学繊維放出管への入力に与えられる出力レーザビームは、励起電力にかかわらず同一サイズになるであろう。これは図９Ｂから図式に理解される。点１３１は繊維焦点レンズ３５への入力位置である。各レーザ内部の一定ビーム直径の点に加えて、各レーザ外部に一定ビーム直径の第２の点があることが確認されている。これは図９Ａの点１２５に相当する。この一定ビーム直径の第２点を繊維焦点レンズ３５（図９Ａの点１２９）上に再収束させることにより、結果的に生じるレーザビームは、光学電力の変化にかかわらず光学繊維内部で一定の開口数（ビーム発散）を有すると言う望ましい特性を有する。この実際の一レーザ実施態様の有利な結果は図９Ｂに示す。原点は繊維焦点レンズ３５の位置を表す。たとえレーザ電力が変化してもビーム発散上の変化はほとんどない。既に指摘した通り本システムは、回転鏡４２上の像が光学繊維３７上に再作像されるように構成される。この結果は、移動要素の回転は繊維３７上の要素の回転のみを発生させるだけで、繊維上の像の移動は生じないということである。従って、回転鏡４２の小さな位置的誤差は、繊維３７への入力におけるレーザビームの位置的誤差を発生させない。その代わりに移動要素の位置的変化は、繊維３７内部でビームの入力角度上の小さな変化を発生させる。光学繊維はこれらの誤差に対してより許容度が大きくなる傾向にある。実際の一実施態様において共振器鏡、すなわち、結合器１６は、100cmの曲率半径を有し、Ho・YAGレーザ棒状体６２の一端から11cmの位置にある。レーザ空洞内で84%の反射性を有する出力結合器１８は、30cmの曲率半径を有する外部凹曲面を備える。結合器１８は、Ho・YAGレーザ棒状体６２の他端から11cmの位置に置かれる。反射器３８は13.47cmの焦点距離を、回転鏡４２は18.24cmの焦点距離を、レンズ３５は2.4cmの焦点距離をそれぞれ有する。各反射器４０は、他の光学構成成分と結合して光学システムの小形化を許容する重要な機能を与える。また、反射器４０は、個々のレーザからの各ビーム２０、２２、２４及び２６がインタリーブ出力ビーム３４に対して小さな角度で回転反射器４２に向けられることを可能にしている。これは回転反射器４２を含む機構成分が大きな機械的許容性を持つことを可能にし、それにより製造及び維持上システムを安価にしている。鏡３８及び回転鏡４２は反射器であることを要しない。これらは凸レンズとして構成することもできる。図１０は、レーザヘッド１１−１４を冷却するために実際の一実施態様で用いる冷却装置１３５の詳細を例示する。単一ポンプ１３７は確実容積形ポンプで、圧力にかかわらず約毎分４ガロンの一定の冷却水流を与える。脱イオン化カートリッジ１４０が主導管と平行に配置され、冷却水を非伝導性に保つようにする。もし水が循環していないなら、流れスイッチ１４３がシステムを停止させる安全機能を与える。レーザヘッドに入る前に水はフィルタ１４５を通過し微粒物質を除去するようにする。次に冷却水は１４７で、２つのヘッドを互いに直列にかつ各対を互いに平行に配置したレーザヘッドを通過する。この配置は図１１に示す。結果的に各レーザヘッドを通る流れは、毎分約１ガロンである。図５を参照すると、非常に小さい 0.4mmの間隙６７がガラス囲い７０と各レーザ棒状体６２の回りとの間に与えられる。従って、レイノルズ数が10,000より大きい高速の水がレーザ棒状体の横を通る。間隙６９も同様に閃光ランプ７０の回りに与えられ、レーザ棒状体と共にランプも冷却されるようにする。現在加熱されている冷却水は、周知の方法でファンにより空冷される熱交換装置１４９を通して流れる。水は環境温度近くで熱交換装置を出て、流れに渦を導入するベンチュリ管１５１を通過する。その後水は、機械的フライホイールと同等に作動する主保持タンク１５１に流入する。すなわち、タンクに数ガロン（3. 8リットル）の水を蓄える容量を持たせることにより、レーザは延長された時間に亘り最大出力電力で作動することができる。その理由はシステム内の付加的水がレーザヘッドに発生する付加的熱を吸収することができるからである。注入タンク１５３が用いられ必要に応じて主タンク１５１を一杯に満たす。熱交換装置の詳細は図１２に示す。実際の熱交換器１６０は従来形で、水の入口１６２及び出口１６４を有する。水が貫通するパイプのコイル（図示せず）が熱交換器１６０内に与えられる。冷却用空気は熱交換器１６０の底部から入り、頂部から出る。空気は、ファンモータ１６８で駆動される後曲羽根車ファンにより熱交換器を通して引き出される。このようなファンの特性は、空気はファンに軸方向に注入され（この場合には底部において）、その後図１２の矢印で示すように半径方向に放出される。熱交換器は非常に小型で、約１フィート平方で厚さは５インチである。このような熱交換器はそれを貫通する大量の空気を必要とし、結果的にそれを横切って大きな圧力低下が生じる。本出願にとっては、小型かつ強力で空気を半径外方向に向ける後曲羽根車の使用が理想的である。ある特定な実施態様において、レーザ棒状体に対する光学励起反復率は出力電力損失なしに7Hzまで高めることができることが分かっている。反復率が高くなるにつれて出力は低下し始める、これはHo・YAG棒状体の熱時定数が十分な熱緩和を起こさせないからである。約10Hzを越えると出力は急速に低下する。しかし、上記特性の詳細はポンプ及び光学システム並びに個々のレーザ棒状体のデザインに依存して変化することに注目すべきである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９４年１２月２日【補正内容】コール冷凍冷却液を有するレーザシステムには出荷上の問題がある。同様に、たとえ冷凍を用いてもHo・YAGレーザの効率が下がらないうちに同レーザを励起できる程度には限度がある。さらに光学的励起率及び強度を増大させることはHo・YAGレーザを損傷させる危険を伴う。発明の概要本発明は、複数のレーザ棒状体を有する光学励起式ソリッドステートレーザで、棒状体の各々が連続的に励起される。各レーザ棒状体の出力は単一のパルス状出力ビームに結合される。個々のレーザ棒状体は、最大レーザ効率に対する電力レベルより低いレベルで励起される。出力を最大にするために単一レーザ棒状体を高反復率、すなわち、速度で励起するが、冷凍冷却を必要とするよりはむしろ、複数のレーザ棒状体を用いて各個々のレーザ棒状体に対する反復率を低下させる。特に、反復率はレーザ媒体の熱緩和時間以下になるように選択し、標準の空・水冷システムを用いて媒体における熱の蓄積を防止できるようにする。各レーザ棒状体を励起するための反復率が低下するので、各レーザ棒状体の冷凍冷却は必要ない。しかし、出力ビームは各個々のレーザ棒状体の組合わせなので、レーザパルス率及び平均エネルギレベルは高い。４つのHo・YAG棒状体を用いる実際の実施態様の場合には、各レーザ棒状体は10Hzでパルス化され、各棒状体の出力が結合されて単一出力ビームにインタリーブされる。インタリーブされたパルス率は100ワットの電力レベルで40Hzであり、それは冷凍冷却される大抵の単一棒状体を用いたHo・YAGレーザのレベルを上回る。本発明の他の面によれば、個々のレーザ棒状体の出力をインタリーブするための改良された小型光学システムが提供される。同光学放射システムは、ビームサイズがレーザ励起電力とほぼ無関係であることを保証する。これは医療レーザシステムのような多くの用途にとって重要である。図面の簡単な説明図１は、本発明の実施態様のソリッドステートレーザの透視図である。図２は、本発明のソリッドステートレーザの好ましい実施態様の側面図である。図３は、矢印3-3における図２のレーザの断面図である。図４は、矢印4-4における図２のレーザの断面図である。通過を可能にする。Ho・YAGレーザ棒状体６２は、長さが31/2インチで直径が4mm である。図６は、高圧電源８７の構成図で、同電源は各閃光ランプ７０を順次始動させ、それがまた各レーザ棒状体６２を励起させる。各閃光ランプは、外部始動ワイヤ８８と関連し、それがまた個々の始動状態の電源９０−９３に接続される。電源９０−９３は各始動ワイヤ８８に十分な電場を維持し、閃光ランプ７０内のガスがイオン化されて伝導状態になるようにされる。しかし、伝導水準は約100ミリアンペアと低く、棒状体６２の放射を始動させるのに十分な光が放出されない。閃光ランプ７０と直列に接続されるのはSCR９６−９９で、それぞれゲート電極１０２−１０５を有する。各SCRはインダクタンス１０８及びキャパシタンス１１０と接続される。キャパシタンス１１０は、調節された定電流源１１２により約1.5kVに充電される。作動に当たり閃光ランプ７０は、レーザヘッド１１−１４のレーザ棒状体６２を順次加圧するために光の高電力バーストを与えるレベルまで順次加圧される。これは適切なゲート電極１０２−１０５に信号を与えることにより、SCR９６− ９９の各々をオフ状態からオン状態に順次転換することにより達成される。これが起こると、キャパシタンス１１０が選択された閃光ランプを通して放電される。回路８７の作動につき、キャパシタンス及びSCR制御回路１１４のブロック構成図である図７を参照してさらに説明する。エンコーダ１１６は、回転反射くさび状体４２の位置を検知する。この位置情報がマイクロプロセッサ１１８に供給され、それがまたSCR９６−９９の切替えの順序及びタイミングを制御する。すなわち、回転くさび状体がレーザヘッド１１からの出力ビームを受容する位置にある場合には、対応する閃光ランプのSCRがライン１１９を介してオンに切替えられて相当するレーザ棒状体が加圧される。これは回転くさび状体４２が次のレーザヘッドからのビームに対する準備ができる度毎に再び起こる。各レーザ棒状体６２は、それと関連した幾分異なった効率を有する。合成出力ビーム３４は同一大きさのパルスを持つことが重要なので、個々のレーザ棒状体の差を考慮しなければならない。これは調節された電流源１１２及びキャパシタンス１１０の充電レベルを制御することにより達成される。点を回転鏡４２上に再び合わせ、その後この点の像はレンズ３５により光学繊維３７への入力で再び焦点が合わされる。このように外科用光学繊維放出管への入力に与えられる出力レーザビームは、励起電力にかかわらず同一サイズになるであろう。これは図９Ｂから図式に理解される。点１３１は繊維３７への入力位置である。各レーザ内部の一定ビーム直径の点に加えて、各レーザ外部に一定ビーム直径の第２の点があることが確認されている。これは図９Ａの点１２５に相当する。この一定ビーム直径の第２点を繊維焦点レンズ３５（図９Ａの点１２９）上に再収斂させることにより、結果的に生じるレーザビームは、光学電力の変化にかかわらず光学繊維内部で一定の開口数（ビーム発散）を有すると言う望ましい特性を有する。この実際の一レーザ実施態様の有利な結果は図９Ａ乃至９Ｃに示す。原点は、図９Ｂ及び９Ｃの繊維焦点レンズ３５の位置を表す。たとえレーザ電力が変化してもビーム発散上の変化はほとんどない。既に指摘した通り本システムは、回転鏡４２上の像がレンズ３５により光学繊維３７上に再作像されるように構成される。この結果は、移動要素の回転は繊維３７上の要素の回転のみを発生させるだけで、繊維上の像の移動は生じないということである。従って、回転鏡４２の小さな位置的誤差は、繊維３７への入力におけるレーザビームの位置的誤差を発生させない。その代わりに移動要素の位置的変化は、繊維３７内部でビームの入力角度上の小さな変化を発生させる。光学繊維はこれらの誤差に対してより許容度が大きくなる傾向にある。実際の一実施態様において共振器鏡、すなわち、結合器１６は、100cmの曲率半径を有し、Ho・YAGレーザ棒状体６２の一端から11cmの位置にある。レーザ空洞内で84%の反射性を有する出力結合器１８は、30cmの曲率半径を有する外部凹曲面を備える。結合器１８は、Ho・YAGレーザ棒状体６２の他端から11cmの位置に置かれる。反射器３８は13.47cmの焦点距離を、回転鏡４２は18.2cmの焦点距離を、レンズ３５は2.4cmの焦点距離をそれぞれ有する。各反射器４０は、他の光学構成成分と結合して光学システムの小形化を許容する重要な機能を与える。また、反射器４０は、個々のレーザからの各ビーム２０、２２、２４及び２６がインタリーブ出力ビーム３４に対して小さな角度で回転反請求の範囲１複数のホルミウム不純化されたレーザ棒状体を該レーザ棒状体の各々からのレーザ出力を最大にする電力レベル以下の平均電力レベルで光学的に順次励起し、前記複数のレーザ棒状体からのレーザ出力の各々を単一のパルス出力ビームに結合させ、周囲温度以上の該レーザ棒状体を水冷することから成る、冷凍冷却なしでレーザを作動させる方法。２前記レーザ棒状体の各々の出力を結合する段階が、該レーザ棒状体の各々から回転状反射体まで光学路を与え、前記回転反射体を増分段階的に所望のレーザパルス出力に等しい率で回転させ、反射したレーザパルスをパルスのインタリーブされた流れとして共通出力路に沿って方向付けることを含む、請求項１の方法。３前記光学的に順次励起する段階が、前記回転くさび状反射体が第１位置にあるとき第１レーザ棒状体に対する閃光ランプを加圧し、該回転くさび状反射体がｎ増分位置の各々にあるときｎレーザ棒状体の各々に対する閃光ランプを加圧することから成る、請求項２の方法。４前記励起段階が、４つのホルミウム不純化されたレーザ棒状体を順次励起することを含む、請求項１の方法。５前記順次励起する段階が、レーザ棒状体当たり約10Hz以下の反復率で発生する、請求項１の方法。６前記順次励起する段階が、レーザ棒状体当たり約7Hzの反復率で発生する、請求項１の方法。７複数のｎパルス状レーザと、前記ｎパルス状レーザの各々からの出力レーザパルスを遮断して該レーザパルスを共通出力路に沿って方向付けるように角度付けされた反射体と、該ｎパルス状レーザの各々から前記角度付けされた反射体までの光学路と、該角度付けされた反射体を回転させる装置であって、該反射体の回転中円周上のｎ位置で該角度付けされた反射体を停止させる装置を含む回転装置と、該角度付けされた反射体が前記ｎ位置の各々にあるとき該ｎパルス状レーザの各々を順次励起する装置とから成る、個々のパルス状レーザの出力をインタリーブさせる装置。８前記レーザ棒状体を励起する反復率が該棒状体の熱緩和時間より小さい、請求項１の方法。９前記パルス状レーザが光学レーザである、請求項７の装置。 10 前記パルス状レーザが光学的に励起されたHo・YAGレーザである、請求項７の装置。 11 ４つのHo・YAGレーザから成る、請求項９の装置。 12 前記レーザの各々がホルミウムで不純化された円筒形棒状体を含む、請求項７の装置。 13 前記励起装置の励起電力にかかわらずレーザ出力サイズを同一に保つ光学装置を含む、請求項７の装置。 14 複数のホルミウム不純化されたレーザ棒状体と、前記レーザ棒状体の各々を、各棒状体からのレーザ出力を最大にするレベル以下の平均電力レベルにおいて光学的に順次励起する装置と、各棒状体からの出力をパルス状出力ビームにインタリーブする光学装置と、周囲温度以上の該棒状体を液体冷却する装置とから成る、冷凍冷却なしで作動するソリッドステートレーザ装置。 15 前記励起装置が、レーザ棒状体当たり約10Hz以下の反復率で励起する、請求項１４の装置。 16 前記励起装置が、レーザ棒状体当たり約7Hzの反復率で励起する、請求項１４の装置。 17 前記レーザ棒状体を励起する反復率が該棒状体の熱緩和時間より小さい、請求項１４の装置。 18 放出装置の入力端にレーザビームを送り込む光学中継システムにおいて、前記レーザビームを発生させるレーザが、異なった電力レベルにおいてビームの直径が一定に保たれるビーム路内に２つの別個の位置が存在するように構成される光学中継システムであって、前記放出装置内に光を集束させる装置と、前記一定直径の第１位置にあるビーム像を該放出装置の入力端まで中継する第１光学装置であって、該放出装置内に入るビームがレーザの電力レベルにかかわらず一定直径を持つようにさせる第１光学中継装置と、該一定直径の第２位置にあるビーム像を該集束装置まで中継する第２光学装置であって、該放出装置内に入るビームがレーザの電力レベルにかかわらず一定の放散角度を持つようにさせる第２光学中継装置とから成る光学中継システム。 19 前記放出装置が光学繊維である、請求項１８のシステム。 20 前記集束装置がレンズである、請求項１８のシステム。 21 放出装置の入力端にレーザビームを送り込む光学中継システムにおいて、前記レーザビームを発生させるレーザが、共振器内にある棒状体のソリッドステート利得媒体を有すると共に異なった電力レベルにおいてビームの直径が一定に保たれる該ビーム路内に２つの別個の位置が存在しかつ前記位置の一方が前記棒状体内にあり他方の位置が前記共振器の外部にあるように構成される光学中継システムであって、前記放出装置内に光を集束させる装置と、前記一定直径の第１位置にあるビーム像を該放出装置の入力端まで中継する第１光学装置であって、該放出装置内に入るビームがレーザの電力レベルにかかわらず一定直径を持つようにさせる第１光学中継装置と、該一定直径の第２位置にあるビーム像を該集束装置まで中継する第２光学装置であって、該放出装置内に入るビームがレーザの電力レベルにかかわらず一定の放散角度を持つようにさせる第２光学中継装置とから成る光学中継システム。 22 前記放出装置が光学繊維である、請求項２１のシステム。 23 前記集束装置が入力レンズである、請求項２１のシステム。 24 前記第１光学装置が前記入力レンズを含む、請求項２３のシステム。 25 放出装置の入力端にレーザビームを送り込む光学中継システムにおいて、前記レーザビームを発生させるレーザが、異なった電力レベルにおいて該ビームの直径が一定に保たれる該ビーム路内に２つの別個の位置が存在するように構成される光学中継システムであって、前記放出装置内に光を集束させる装置と、該一定直径位置にあるビームの像を該集束装置まで中継する光学装置であって、該放出装置内に入るビームがレーザの電力レベルにかかわらず一定の放散角度を持つようにさせる光学装置とから成る光学中継システム。 26 前記放出装置が光学繊維である、請求項２５のシステム。 27 前記集束装置が入力レンズである、請求項２５のシステム。 28 レーザビームを発生させる共振器を有するレーザであって、前記共振器が異なった電力レベルにおいて該ビームの直径が一定に保たれる位置が該共振器の外部に存在するように構成されるレーザと、前記一定直径位置にある該ビームの像を第２の位置まで中継する光学装置であって、第２位置において該ビームの直径が該レーザの電力レベルにかかわらず一定の直径を持つようにされる光学装置とから成るレーザ装置。 29 前記第２位置が放出装置の入力端である、請求項２８の装置。 30 前記第２位置が繊維の入力面である、請求項２８の装置。 31 前記第２位置が、該レーザの電力レベルにかかわらず一定の放散角度で該ビームを繊維の入力面内に集束させるレンズである、請求項２８の装置。 32 複数のレーザからの出力ビームを結合する光学システムであって、共通路に沿って該ビームを順次再方向付するために該出力ビーム路に設けられる回転反射体と、入力端を有する放出装置と、前記回転反射体において該ビームの像を前記放出装置の前記入力端まで中継する光学装置であって、該回転反射体における角整列誤差に起因する該放出装置の入力端における該ビームの横方向位置の変化が最小にされるようにする光学装置とから成る光学システム。 33 前記放出装置が光学繊維である、請求項３２のシステム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者リード、エドワード・ディーアメリカ合衆国、カリフォルニア州 94087、サニーベール、ルイストン・ドライブ 1667 (72)発明者トロスト、デイビッドアメリカ合衆国、カリフォルニア州 94109、サン・フランシスコ、カリフォルニア・ストリート 1201 (72)発明者ボシー、ケネス・ジェイアメリカ合衆国、アリゾナ州 85715、ツーソン、ノース・コルブ 5855、ナンバー 131 (72)発明者マッカーニン、トマス・ウィリアムアメリカ合衆国、アリゾナ州 85710、ツーソン、デザート・ステップス・ドライブ 8451 (72)発明者ミッチェル、ジェラルド・エムアメリカ合衆国、アリゾナ州 85748、ツーソン、イースト・コール・オーロラ 11155 (72)発明者ヤーボロ、ジェイ・マイケルアメリカ合衆国、アリゾナ州 85718、ツーソン、ノース・プラシタ・ピクウィーナ 6437

Claims

【特許請求の範囲】１複数のレーザ棒状体を光学的に順次励起し、冷凍冷却を要しない程度に十分低い平均電力で各励起を行うようにし、前記レーザ棒状体の各々の出力を結合し、単一のレーザパルス出力を与えるようにすることから成る、光学励起式レーザ励起方法。２前記十分低い電力率が励起反復率を制御することにより達成される、請求項１の方法。３前記レーザ棒状体の各々の出力を結合する段階が、該レーザ棒状体の各々から回転状反射体まで光学路を与え、前記回転反射体を増分段階的に所望のレーザパルス出力に等しい率で回転させ、反射したレーザパルスをパルスのインタリーブされた流れとして共通出力路に沿って方向付けることを含む、請求項１の方法。４前記光学的に順次励起する段階が、前記回転くさび状反射体が第１位置にあるとき第１レーザ棒状体に対する閃光ランプを加圧し、該回転くさび状反射体がｎ増分位置の各々にあるときｎレーザ棒状体の各々に対する閃光ランプを加圧することから成る、請求項３の方法。５前記複数のレーザ棒状体を光学的に順次励起する段階が、ホルミウムで不純化されたレーザ棒状体を励起することを含む、請求項１の方法。６複数のHo・YAGレーザ棒状体を該レーザ棒状体の各々からのレーザ出力を最大にする電力レベル以下の平均電力レベルで光学的に順次励起し、前記複数のHo・YAGレーザ棒状体からのレーザ出力の各々を単一のパルス出力ビームに結合させ、該レーザ棒状体を水冷することから成る、冷凍冷却なしでHo・YAGレーザを作動させる方法。７前記励起段階が、４つのHo・YAGレーザ棒状体を順次励起することを含む、請求項６の方法。８前記順次励起する段階が、レーザ棒状体当たり約10Hz以下の反復率で発生する、請求項７の方法。９前記順次励起する段階が、レーザ棒状体当たり約7Hzの反復率で発生する、請求項７の方法。 10 複数のｎパルス状レーザと、前記ｎパルス状レーザの各々からの出力レーザパルスを遮断して該レーザパルスを共通出力路に沿って方向付けるように角度付けされた反射体と、該ｎパルス状レーザの各々から前記角度付けされた反射体までの光学路と、該角度付けされた反射体を回転させる装置であって、該反射体の回転中円周上のｎ位置で該角度付けされた反射体を停止させる装置を含む回転装置と、該角度付けされた反射体が前記ｎ位置の各々にあるとき該ｎパルス状レーザの各々を順次励起する装置とから成る、個々のパルス状レーザの出力をインタリーブさせる装置。 11 前記パルス状レーザが光学レーザである、請求項１０の装置。 12 前記パルス状レーザが光学的に励起されたHo・YAGレーザである、請求項１０の装置。 13 ４つのHo・YAGレーザから成る、請求項１２の装置。 14 前記レーザの各々がホルミウムで不純化された円筒形棒状体を含む、請求項１０の装置。 15 前記励起装置の励起電力にかかわらずレーザ出力サイズを同一に保つ光学装置を含む、請求項１０の装置。 16 出力ビームを有する少なくとも１つのソリッドステートレーザと、入力端及び放出端を有する光学繊維放出装置と、前記少なくとも１つのソリッドステートレーザから前記光学繊維放出装置の入力まで、該レーザの出力電力にかかわらず一定のビームサイズで出力ビームを与える光学装置とから成る光学システム。 17 前記少なくとも１つのソリッドステートレーザがホルミウム不純化されたHo ・YAG材料である、請求項１６のシステム。 18 出力ビームを有する少なくとも１つのソリッドステートレーザと、光学繊維放出装置と、前記少なくとも１つのソリッドステートレーザから、レーザ出力電力にかかわらず繊維内部に一定な開口数を有する前記光学繊維放出装置まで及び該装置内までレーザビームを与える光学装置とから成る光学システム。 19 前記少なくとも１つのソリッドステートレーザがホルミウム不純化されたHo ・YAGである、請求項１８のシステム。 20 各々が出力ビームを有する少なくとも２つのソリッドステートレーザと、入力端を有する光学繊維放出システムと、前記少なくとも２つのソリッドステートレーザの出力ビームを前記光学繊維放出装置の入力端上に順次配列する移動光学要素と、該光学繊維への入力に関する前記出力ビームの位置変化を、前記移動光学要素に対する該レーザビームの整列誤差にかかわらず最小にする装置と、から成る光学システム。 21 各レーザがホルミウム不純化されたHo・YAGを用いる、請求項２０のシステム。 22 複数のソリッドステート利得媒体と、前記ソリッドステート利得媒体の各々を、各利得媒体からのレーザ出力を最大にする平均電力において順次励起する装置と、各利得媒体からのレーザ出力をパルス状出力ビームにインタリーブする光学装置と、該利得媒体を液体冷却する装置とから成る、冷凍冷却なしで作動するソリッドステートレーザ装置。 23 複数のHo・YAGレーザ棒状体と、前記レーザ棒状体の各々を、各棒状体からのレーザ出力を最大にする平均電力において順次励起する装置と、各棒状体からの出力をパルス状出力ビームにインタリーブする光学装置と、該棒状体を液体冷却する装置とから成る、冷凍冷却なしで作動するソリッドステートレーザ装置。