(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ操作方法において、
水の吸収係数である２００ｃｍ-1より大きいか等しい波数に対応する波長の放射を生成し、湿気を吸収する少なくとも一つのキャビティ内光学コーティングを有するレーザを提供するステップと、
前記コーティングの蒸発破壊を起こさないように前記コーティング中の湿気を蒸発させるため、前記レーザに供給されるポンプ電力を傾斜上昇させるステップと、
を含むレーザ操作方法。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ操作方法において、
前記傾斜上昇させるステップは、不連続で一定の階段間隔の前記ポンプ電力を傾斜上昇させるステップを含む方法。
【請求項３】
請求項１記載のレーザ操作方法において、
前記傾斜上昇させるステップは、実質的に連続する方法で前記ポンプ電力を傾斜上昇させるステップを含む方法。
【請求項４】
請求項１記載のレーザ操作方法において、
前記傾斜上昇させるステップは、前記ポンプ電力をレージングしきい値電力と定格電力との間で増加させるステップを含む方法。
【請求項５】
請求項４記載のレーザ操作方法において、
前記傾斜上昇させるステップは、前記ポンプ電力をレージングしきい値電力に近いかまたは越える初期電力から増加させるステップを含む方法。
【請求項６】
請求項１記載のレーザ操作方法において、
前記傾斜上昇させるステップは、出力電力が実質的に直線的な方法で増加するように前記ポンプ電力を増加させるステップを含む方法。
【請求項７】
請求項１記載のレーザ操作方法において、
前記傾斜上昇させるステップは、前記ポンプ電力を約５秒以上増加させるステップを含む方法。
【請求項８】
請求項１記載のレーザ操作方法において、
前記傾斜上昇させるステップは、前記ポンプ電力をコンピュータ制御で増加させるステップを含む方法。
【請求項９】
請求項１記載のレーザ操作方法において、
前記提供するステップは、エルビュームドープのＹＡＧロッドをもつレーザを提供するステップを含む方法。
【請求項１０】
請求項１記載のレーザ操作方法において、
前記提供するステップは、ネオジウムドープのＹＡＧロッドに関する低利得のロッドをもつレーザを提供するステップを含む方法。
【請求項１１】
レーザシステムにおいて、
レーザロッドと湿気を吸収する少なくとも一つのキャビティ内光学コーティングとを有し、水の吸収係数である２００ｃｍ-1より大きいか等しい波数に対応する波長の放射を生成するレーザと、
前記レーザロッドにポンプ電力を供給するポンプ電力源と、
前記レーザロッドに供給されるポンプ電力を制御するコントローラであって、前記コーティングの蒸発破壊を起こさないように前記コーティング中の湿気を蒸発させるため、前記レーザロッドに供給されるポンプ電力を傾斜上昇させるようにする、コントローラと、
を備えるレーザシステム。
【請求項１２】
請求項１１記載のレーザシステムにおいて、
前記コントローラは、前記ポンプ電力を約５秒以上傾斜上昇させるようにするレーザシステム。
【請求項１３】
請求項１１記載のレーザシステムにおいて、
前記コントローラは、コンピュータを備えるレーザシステム。
【請求項１４】
請求項１１記載のレーザシステムにおいて、
前記レーザロッドは、エルビュームドープのＹＡＧロッドを含むレーザシステム。
【請求項１５】
請求項１１記載のレーザシステムにおいて、
前記レーザロッドは、ネオジウムドープのＹＡＧロッドに関する低利得のロッドを含むレーザシステム。
【請求項１６】
レーザ操作方法において、
水により吸収される波長の放射を生成し、湿気を吸収する少なくとも一つのキャビティ内光学コーティングを有し、前記コーティングから湿気の蒸発による前記コーティングの蒸発破壊を通常起こす動作時の通常の電力を有するレーザを提供するステップと、
前記コーティングの蒸発破壊を起こさないように前記コーティングから湿気を蒸発させるため、前記レーザに供給されるポンプ電力を傾斜上昇させるステップと、
を含むレーザ操作方法。
【請求項１７】
請求項１６記載のレーザ操作方法において、
前記傾斜上昇させるステップは、不連続で一定の階段間隔の前記ポンプ電力を傾斜上昇させるステップを含む方法。
【請求項１８】
請求項１６記載のレーザ操作方法において、
前記傾斜上昇させるステップは、実質的に連続する方法で前記ポンプ電力を傾斜上昇させるステップを含む方法。
【請求項１９】
請求項１６記載のレーザ操作方法において、
前記傾斜上昇させるステップは、前記ポンプ電力を約５秒以上傾斜上昇させるステップを含む方法。
【請求項２０】
請求項１６記載のレーザ操作方法において、
前記傾斜上昇させるステップは、コンピュータ制御下で傾斜上昇させるステップを含む方法。
【請求項２１】
請求項１６記載のレーザ操作方法において、
前記提供するステップは、エルビュームドープのＹＡＧロッドをもつレーザを提供するステップを含む方法。
【請求項２２】
請求項１６記載のレーザ操作方法において、
前記傾斜上昇させるステップは、前記ポンプ電力をレージングしきい値電力と定格電力との間で増加させるステップを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にはレーザシステムおよびそのシステムの操作方法に関する。さらに詳しくいえば、本発明は水に高度に吸収されるエネルギーを共給するためのレーザシステムを操作させる方法に関連する。
【０００２】
【従来の技術】
水によって高度に吸収される波長で動作するレーザは、医用または歯科用の応用に役だち、その理由はそれらは、生物的な材料によって高度に吸収されるエネルギーを提供するために利用できるからである。ＥＲ：ＹＡＧ（エルビュームでドープされたイットリウム，アルミニウム，ガーネット）レーザはそのようなレーザであり、高度にドープされたホスト物質または結晶をもち、それらは可干渉放射であって、波長２．４μで放射する。前記ＥＲ：ＹＡＧレーザは、歯科用の応用において、象牙質を気化させるために用いられる。そのようなレーザを用いることにより、歯科医は従来用いられている医科用のドリルを利用することなく、極めて簡単に他の腐食した部分を除去することができる。ＥＲ：ＹＡＧレーザのようなレーザは、他の歯科用の応用、例えば歯を白くすることや、組織を軟化させる仕事に利用できる。そのようなレーザは、また歯科以外にも応用できる。例えば皮膚の付け換えである。
【０００３】
ＥＲ：ＹＡＧレーザは、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジウムドープのイットリウムアルミニウムガーネット）レーザに比較して、より小さな利得を持っている。そのために大変高い反射率を提供する出力カプラが、ＥＲ：ＹＡＧレーザから、良い引き出し効率を得るために用いられる。その結果として、適当なポンプエネルギーが使用されているときであっても、循環エネルギーは、極めて高いものとなる。この高い循環エネルギーのために、ＥＲ：ＹＡＧレーザの光学キャビティは、大きな損失しきい値が必要となる。
【０００４】
ＥＲ：ＹＡＧレーザのようなレーザにおいて用いられる反射コーティングのもつ問題は、周囲から湿気または水分を吸収する傾向があることである。これらの光学コーティングは、典型的には薄い層で構成されており、その層はしばしば空洞を含みそして、そのコーティングの表面積を増加させ、その結果としてより多くの湿気とか水分を前記コーティングが吸収することを許容する。ＥＲ：ＹＡＧレーザが使用されるときに湿気または水分は、その２．９４μの波長において、出力放射を強力に吸収し、その結果激しい湿気または水の蒸発過程が起こり、それが前記キャビティ光学系に、永久的な損害を与える。
【０００５】
コナーズ等に与えられた米国特許No５，１３２，９８０で、著者は、レーザ放射に先立って、レーザ媒質利得をあらかじめ調整することについて述べている。この方法は、前調整レーザ例えばＨｏ：ＹＡＧ（ホルミウムドープされたイットリウムアルミニウムガーネット）およびＮｄ：ＹＡＧレーザでポンプされたときに熱レンズを形成する傾向にあるものについて有効であると著者は述べている。この方法によれば、初期エネルギーが利得媒体に、安定した熱レンズを形成するために不可的なエネルギーが前記利得媒体に、レーザ放射を生成する前供給される。前記初期エネルギーは、レーザ放射を生成するのには不十分なしきい値以下のポンプ電圧をもっている。前記著者は、彼らのあらかじめの調整方法が不安定な共振領域における動作によって、そうしなければ初期（単一レーザ発光前の状態の損失）をキャビティ光学系に与えるのを防ぐものである。コナーズ等の方法は、このようにある種のレーザに関連する特殊な損傷に向けられたものである。
【０００６】
しかしながら湿気とか水の蒸発に関連する損傷は、十分に説明されていない。たとえば、コナーズ等のポンピング電圧のしきい値以下のものを用いる方法では、光学系への損傷を避けるために、キャビティ光学系のコーティングから、相当な湿気または水の蒸発効果をもたらしていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、急激な蒸気または水分の蒸発に関連するキャビティ光学系の損傷を避けて、レーザを操作するために改良された方法と装置の出現が待たれる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザ装置を全電力で操作する前に、光学コーティングから、供給されている湿気または水分を除去する方法に関連するものである。この方法において、前記レーザのポンプエネルギーは前記キャビティ光学系から反射されたり、またはそこを通過するエネルギーを次第に増加させる効果を得るために傾斜上昇するようにポンプエネルギーが加えられる。循環エネルギーの上昇にしたがって、光学コーティングによって吸収されていた湿気または水分はゆるやかに蒸発させられる。前記エネルギーは定格全出力に達するまでに、光学コーティングには湿気とか水がなくなっており、そして全出力で動作中において損傷を受けないようになるであろう。
【０００９】
本発明の実施形態によれば、レーザのポンプ電圧は、わずかの差分で上昇させられ、その結果としてレーザは１０〜２０秒で全電圧に到達する。前記ポンプ電圧は、最小値から定格値まで３２の均等のステップで上昇させられ、全ウォームアップ時間の３２または１６秒間の間で、ステップの変化は毎秒１または２回である。他の実施形態においては、ポンプ電圧は単一波長の光の発生のしきい値から増加させられ、そのポンプ電圧において、レーザは単一波長の光の発生をする。本発明のさらに他の実施形態によれば、ポンプ電圧は、可変ステップで変化させられ、その結果出力エネルギーは０から、その定格値まで直線的に上昇させられる。
【００１０】
本発明方法は、その出力が水によって良く吸収させられる出力放射をするレーザに関連して好適に利用され、例えばそのようなレーザの出力は、水の吸収係数であって、２００ｃｍ-1に等しく対応するか、それ以上のものであり、そしてさらに詳細にいえば、レーザの出力放射は、約５００ｃｍ-1またはそれ以上の水の吸収係数に対応するものである。例をあげれば、そのようなレーザは、ＥＲ：ＹＡＧレーザを含んでおり、その出力放射波長は、２．９４μであって、それは水の吸収係数である３０００ｃｍ-1に対応するものである。かくして本発明は、この発明方法に基づく動作方法のレーザシステムに関連するものである。
【００１１】
本発明の利点とか特徴、さらに本発明の付加的なさらに他の目的、利点および特徴は、以下に図面を参照して行われる。
【００１２】
【発明の実施形態】
以下図面等を参照して本発明による装置の実施の形態を説明する。図１は、本発明による装置またはシステムの略図である。このシステム２０は、高ドープされたＥｒ：ＹＡＧレーザロッド２２を含み、約２．９４μの波長をもつレーザ光を発生するのに用いられる。光学キャビティはレーザロッド２２の両端を越えて配置されるキャビティ鏡２４と２６の間に形成される。典型的には、キャビティ鏡２４，２６はそれぞれ前記レーザロッド２２の両端に体面し、それぞれコーティング２４ａと２６ａでコーティングされている。さらにレーザロッド２２の端部は、反射防止コーティング２２ａ，２２ｂによりそれぞれコーティングされている。他の実施形態においては、少なくともレーザロッド２２の一つの端部が、ミラーコーティングによりコートされている。
【００１３】
システム２０の動作中にキャビティ鏡２６は、出力結合器として動作して、レーザキャビティによって生成されたレーザエネルギーの一部を伝送する一方、レーザキャビティ中の残りのエネルギーを反射する。Ｅｒ：ＹＡＧレーザは、かなり低い利得（例えば１経路の利得は約９％）であって、Ｎｄ：ＹＡＧレーザよりも低い利得であるから、高い反射率の出力結合器が良い抽出効力を得るために用いられる。一つの実施形態によれば、出力結合器２６の出力は９６パーセントのレーザエネルギーを反射し、残りの４パーセントだけを通過させる。このような高い反射出力結合器が用いられるとレーザキャビティ中の循環エネルギーは、適当な出力エネルギーが形成されるときであって、レーザキャビティ中の循環エネルギーは極めて大きなものとなる。
【００１４】
出力結合器または鏡２６の表面には、光学コーティング２６ａが設けられており、それは湿気または水分を吸収する傾向にある。コーティング２２ａ，２２ｂおよび２４ａもまた湿気とか水分を吸収する傾向にある。これらのコーティングは、薄い材料層を基板上に希望する反射および透過品質を得るために、配置される。これらの層は、しばしば空洞を含み、それがコーティングの表面積を増加させ、そしてコーティングによる湿気とか水分の吸収を許容する。
【００１５】
前記Ｅｒ：ＹＡＧレーザロッドは、波長約２．９４μをもつレーザ放射を生成する。それは水の吸収係数である約３０００ｃｍ-1に対応する。この吸収係数は約１／ｅの距離３μに対応する。例えばキャビティ内のコーティングの３０ｎｍ厚さの水の層は生成されたレーザエネルギーの１パーセントを吸収することになるであろう。もし例えばコーティング２６ａが生成されたレーザエネルギーの４パーセントを透過したとすると、出力エネルギーの約１／４がこの前記コーティング上の水の３０ｍｍの層によって吸収されるであろう。湿気または水がこのエネルギーの量で吸収されたら、それは爆発的に上昇する。レーザの通常の操作において、可聴ポップ音が前記コーティングから、爆発的に湿気または水が蒸発するときに聞こえる。この爆発的な蒸発は、次第にキャビティ内のコーティングを損傷する。単に例をあげれば、そのような損傷は、目（肉眼または増強視力）によってコーティング上の傷として認められるかまたは、前記コーティングの反射率をマッピングすることによって決定される。
【００１６】
適当なポンプエネルギーを使用しているときでも、湿気または水分の爆発的な蒸発をもたらす二つの要素がある。第一の要素は水の性質に関連し、すなわち水はあるレーザエネルギー（“水の吸収係数”または“水吸収係数”）を高度に吸収することに関連する。
ある好ましい実施形態においては、この方法が、水が２００ｃｍ-1に等しいかそれを越える吸収係数をもつレーザ放射をレーザ放射が生成することに関連して用いられる。ある一つの最も好ましい実施形態においては、レーザ放射を生成するレーザに関連して用いられ、そこにおいて水は約５００ｃｍ-1に等しいかそれ以上の吸収係数をもっている。第二の要素は、キャビティ内のコーティング２６ａの性質に関連し、すなわちコーティング２６ａが低いパーセンテイジ（すなわち１〜２０％または４〜９％）の生成されたレーザエネルギーである。この低い透過率のためにレーザキャビティ内の循環エネルギーが適当なポンプエネルギーが使用されているときでさえも、大変大きなものとなる。
【００１７】
図１に示されているようにシステム２０は、ふたつのフラッシュランプ３２および３４に接続されているコントローラ３０を含んでいるが、ひとつのフラッシュランプ、ひとつのダイオードまたは他の適当なエネルギーまたはそれらの組合せを用いることもできる。フラッシュランプ３２と３４は、ＥＲ：ＹＡＧレーザロッド２２をポンプするためのエネルギーを供給する。公的な実施形態において、コントローラ３０はフラッシュランプを、前記ＥＲ：ＹＡＧレーザロッドに供給されるポンプエネルギーがゆるやかに上昇するように、フラッシュランプを制御する。典型的にはフラッシュランプは、それに加えられるポンプ電力またはポンプ電力によって制御される。かくして、ポンプ電力またはポンプ電圧であって、前記フラッシュランプに加えられるものは、レーザロッドに供給されるポンプエネルギーがゆるやかに上昇する効果をもつようにゆるやかに立ち上げられる。レーザ放射に必要なポンプエネルギーのしきい値を越えるポンプエネルギーが増加させられると、このゆるやかなポンプエネルギーの上昇は出力または出力エネルギーのゆるやかな上昇を起こさせる。このゆるやかな出力電力または出力エネルギーの立ち上がりは、従来通常行われていたレーザ発光に比較して、キャビティ中のコーティングからの湿気または水の蒸発をよりゆるやかにする。
【００１８】
本発明によって達成される遅い蒸発過程は、単一波長の前記レーザロッドが単一波長のしきい値（例えばしきい値電力またはしきい値電圧で表される）に達してから起こる。この点が、コナーズ等の方法と異なっている。コナーズ等においては、レーザロッドはしきい値電圧以下の電圧によって、予め調整またはウォームアップが成されるのである。本発明によるシステム、比較的低い繰返ポンプ率において、例えば２乃至５０ヘルツまたは約１０ヘルツにおいて有要であり、その理由はロッドの温度よりはむしろ各パルスのエネルギーの繰返に係わるものであるからである。
【００１９】
図２Ａは本発明に基づいて供給されるポンプ電圧（例えばＶまたはＫＶ）時間（秒）のグラフを示している。このシステムは、最小の電圧から小さい刻みでゆっくりと立ち上げられている。図２Ｂに示されているポンプ電圧がしきい値電圧に達すると出力エネルギー（例えばミリジュール）は、ゆるやかに増大する。
【００２０】
図３Ａは、他の実施形態に基づく供給電圧対時間を示す図である。図示されているように、最初のポンプ電圧は、しきい値電圧よりわずかに高く、それからその後に次第に上昇させられている。これにより、動作の遅れ時間を減少させることができる。図３Ｂに示されているように、出力エネルギーの時間に対する変化は、厳密には直線的ではない。これはポンプエネルギーはポンプ電圧の自乗に関連するものであるからであって、出力電圧はしきい値電圧に達した後においてはポンプエネルギーにやや比例している。
【００２１】
図４Ａは、他の実施形態に基づく供給されるべきポンプ電圧と時間の関係を示す図である。図示されているように、電圧は非直線的に（図４Ａ）に上昇させられており、その結果出力エネルギーは時間に対して直線的（図４Ｂ参照）に上昇している。図４Ａと図４Ｂに示される実施形態においては、ポンプ電圧の精密な制御が要求される。
【００２２】
例を挙げれば、図２Ａから図４Ｂに示されているように、量的なものは以下の通りである。定格電圧は約６００Ｖから１．６ＫＶであり、典型的な値は約１ＫＶ、しきい値電圧は約定格電圧の１／２から２／３である、そして定格出力エネルギーは、約２００ミリジュールから約５００ミリジュールである。これらのグラフに示されている時間は、Ｘ軸上のマークは約１〜２秒に対応する。典型的には５秒またはそれ以上であって、５から１５秒が好ましい水分の蒸発を発生させるポンプ電力の立ち上げのために十分であろう。
【００２３】
上述した実施形態においては、上昇ポンプ電圧が段階的な立ち上がりを示している。これらの任意の実施形態において、コントローラ３０をコンピュータ化または電子制御システムであって、段階的な外形状を発生させるために十分なものである。これと異なり、この上昇をなだらかな連続的な立ち上がり形状にすることもできる。この代替的な実施形態においては、コントローラ３０をコンピュータ化または電子制御システムであって、ポンプ電圧をなだらかな連続する外形状を与えるために十分なシステムである。この代替的な実施形態の図解表示は図２Ａ，３Ａ，４Ａの段階的な外形状の代わりに、なだらかな曲線にすれば足り、そして図２Ｂ，３Ｂ，４Ｂを同様に予め示された実施形態（与えられたサンプリング出力）と同様にすればよい。
【００２４】
本発明は、レーザシステムとこれに関連する方法であって、それはキャビティ内のコウーティングからの湿気または水の偶発的な気化を阻止するために用いられているものであって、そしてこれによってキャビティ光学系の損傷を減少させるか防止させるものである。本発明は、固体状態のレーザに関連して説明したが、レーザであって、水を高度に吸収する波長を放射するものであって、それの活性材料が固体状態でないものについても利用できるものである。
【００２５】
本発明の種々の特徴が好適な実施形態に関連して記述されたのであるが、本発明は添付の請求の範囲の保護を受けるべきものであるというように理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関連する装置の概略図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態のポンプ電圧の時間的変化を示すグラフである。
【図２Ｂ】図２Ａに示されているポンプ電圧に基づく出力エネルギーの時間的変化を示すグラフである。
【図３Ａ】本発明の他の実施形態のポンプ電圧の時間的変化を示すグラフである。
【図３Ｂ】図３Ａに示されているポンプ電圧に基づく出力エネルギーの時間的変化を示すグラフである。
【図４Ａ】本発明の他の実施形態のポンプ電圧の時間的変化を示すグラフである。
【図４Ｂ】図４Ａに示されているポンプ電圧に基づく出力エネルギーの時間的変化を示すグラフである。
【符号の簡単な説明】
２０  システム
２２  レーザロッド
２２ａ，２２ｂ  反射防止コーティング
２４，２６  キャビティ鏡
２４ａ，２６ａ  コーティング
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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