HO:YAG lazer tasarımı ve böbrek taşı kırma uygulaması
HO:YAG laser design and it's application for kidney stone fragmentation
Yazar: MUHAMMAD IRFAN
Danışman: PROF. DR. ARİF DEMİR
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektro-Optik Sistem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Holmium lazer tıp alanında böbrek ve mesane taşlarının parçalanması gibi uygulamaları bulunmaktadır. Holmium lazerin dalgaboyu önemli bir soğurma katsayısı ve su içinde düşük penetrasyon derinliği olan 2.1 µm, bu nedenle bir çok medikal uygulama için bu lazerin kullanımı kaçınılmazdır. Tüm bu benzer uygulamalar düşük tekrarlama oranlarında yüksek enerji lazer atışlarını gerektirmektedir. Bu çalışmada, 20W Ho: YAG lazer sistemi tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir..
Ho: YAG lazer sistemi  güç kaynağı, lazer tasarımı ve soğutma sisteminden oluşur. Güç sürücüsü 1-20Hz arasında lazer sistemini sürme kapasitesine sahip, 0.2-3ms arasındaki değişken darbe süresi şekilde tasarlanmış ve uygulanmıştır. Kaynamaya (simmer) devre ile entegre paralel tetikleme tekniği flaş lambasının iyi çalışması için uygulanmıştır. Flaş lamba sürücü 625 ve 880V DC gerilim seviyeleri için özelleştirilmiş. Ho: YAG lazer rezonatör tasarlanmış ve uygulanmıştır. Bu lazer 20 Hz kadar farklı tekrarlama oranları ile çalıştırıldı. Optimum çalışma böbrek taşı için yeterli olan darbe başına 2 J lazer enerjisi ile 5 ve 10 Hz'de elde edildi. 20W lazer gücü 10 Hz tekrarlama oranında ölçülmüştür. Lazer darbe süresi tamamen flaş lambası akım darbesine bağımlıdır. Böylece değişken lazer darbe süresinde değişken flaş lambası mevcut darbe süreleri gözlendi.
Bununla birlikte kazanç ortamının soğutması, aynı zamanda, lazerin verimliliğinde önemli bir kuraldır. Bu lazer istenildiği taktirde su-hava soğutma ünitesi ile yerine getirilebilen oda sıcaklığında çalışabilir olmasına rağmen, bu sistemi istenilen koşullarda su-su soğutma ünitesinde çalıştırmak için kapasite lazer boşluğundan saniyede 2kW ısıtıcı kaldırmak için dizayn edildi. Bu lazerin gelişmiş başlıca amacı litotripsi (böbrek taşları parçalanma) için kullanılmasıdır. Lazer ışını dağıtım sistemi ile birlikte deney düzeneği suda böbrek taşlarını kırmak için dizayn edilmiştir. Taş parçalanması, termal ağırlıklı foto ve şok dalgası yerine bir termal sondaj işlemi içerir. 
Son olarak, Holmium lazerin tüm aşamaları tasarlanmış ve başarıyla uygulanmıştır. 10 Hz tekrarlama oranı 20W Lazer gücünde elde etti. Hasta dışında (in vitro), böbrek taşı parçalanma deneyi tasarlanmıştır ve böbrek taşında parçalanma gözlenmiştir.

Abstract:
Holmium laser has a number of applications in medical field such as fragmentation of Kidney and Gladder stones. Wavelength of Holmium laser is 2.1µm which has significant absorption coefficient and low penetration depth in water that is why the use of this laser is inevitable for a lot medical applications. All those similar applications demand high energy laser pulses at low repetition rates. In this study, 20W Ho:YAG  laser system was designed and implemented.
The Ho:YAG laser system mainly comprised of Power supply, Laser design and cooling system. User friendly power driver was designed and implemented which was capable to driver laser system between 1-20Hz and variable pulse duration between 0.2-3ms. Parallel triggering technique integrated with simmer circuit was applied for best operation of flash lamp. Flash lamp driver was customized for 625 and 880V DC voltage levels. Ho:YAG laser resonator was designed and implemented. This laser was operated at different repetition rates up to 20Hz. Optimum operation was achieved at 5 and 10Hz with laser energy of 2J per pulse which is sufficient to break the Kidney stones. Laser power of 20W was measured at 10Hz repetition rate. Laser pulse duration is completely dependent upon flash lamp current pulse, so variable laser pulse duration was observed at variable flash lamp current pulse durations.
Nevertheless cooling of gain media also plays a major rule in the efficiency of the laser. Although this laser may work at room temperature that demand can be fulfilled by water-air cooling unit. However, to run the laser system at desired conditions water-water cooling unit was designed which has capacity to remove 2kW heat per second from laser cavity.  The major purpose of the developed of this laser was to use for lithotripsy (Kidney stones fragmentation). Experimental setup along with laser beam delivery system was designed to break kidney stones in water. Stone fragmentation is mainly photo thermal and involves a thermal drilling process rather than shock wave. Free running laser resonator in the presence of Pockel cell inside laser cavity was also implemented successfully. 
Finally, all the phases of the Holmium laser was designed and implemented successfully. Laser power of 20W at 10Hz repetition rate achieved. Offline, Kidney stone fragmentation experiment was designed and fragmentation was observed.