DE4341108A1

DE4341108A1 - Two-stage laser system for hard tissue surgery

Info

Publication number: DE4341108A1
Application number: DE19934341108
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof Dr Mueller
Original assignee: LASER MEDIZIN ZENTRUM GGMBH BE
Current assignee: Ceramoptec GmbH
Priority date: 1993-12-02
Filing date: 1993-12-02
Publication date: 1995-06-08

Abstract

In the two-stage laser system the radiation of a first laser is used over an optical waveguide for coaxial pumping of a second miniaturised laser crystal. In one embodiment the first pump laser is a highly energetic flash lamp pumped solid state laser. A quartz glass fibre may be used to transmit the pump laser radiation. A thin rod-shaped laser crystal of the material erbium-yttrium-aluminium-garnet (Er:YAG) is used for the second miniaturised laser crystal. Alternatively a crystal of Ytterbium-Erbium-Yttrium-Aluminium-Garnet is used as the second laser crystal.

Description

Task

Es soll ein technisch möglichst einfach herstell barer, kostengünstiger und wartungsfreundlicher Laser entwickelt werden, der gepulste Infrarot strahlung im Spektralbereich zwischen 1,8 und 3 µm aus einem leicht zu führenden Handstück auf Zahnhartgewebe abgeben kann. Gleichzeitig soll dieses Handstück möglichst flexibel mit der primä ren Energiequelle verbunden sein.It should be technically as simple as possible barer, cheaper and easier to maintain Lasers are being developed, the pulsed infrared radiation in the spectral range between 1.8 and 3 µm from an easy to handle handpiece Can give off dental hard tissue. At the same time this handpiece as flexible as possible with the primary energy source.

State of the art

Es ist bekannt, daß gepulste Infrarotstrahlung in der Lage ist, mit einem quasi-nichtthermischen Prozeß, der sogenannten Photoablation, Material abzutragen (Literatur: 4. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Lasermedizin 5.-8. Oktober 1988, Verhandlungsbericht EBM-Verlag, pg. 93-120). Mehrere derartige Systeme sind am Markt, zum einen zur Knochen-Knorpelbearbei tung, ein sogenannter Holmium:YAG-Laser, des sen Strahlung noch über wasserfreie Quarzfasern zu Handstücken übertragen werden kann, wie auch ein Erbium:YAG-Laser, dessen Strahlung bei 2,94 µm nur noch über Spiegelgelenkarme über tragen werden kann. Es ist weiterhin bekannt, daß die thermischen Nebenwirkungen an Zahnhart gewebe durch einen Ho:YAG-Laser ungleich höher sind als bei einem Er:YAG-Laser oder vergleich baren anderen gepulsten Lasern, so daß die Ver wendung eines Ho:YAG-Lasers für die Zahnmedi zin nicht vorteilhaft ist. Ein Er:YAG- oder ein Er:YSGG-Laser wäre vorteilhaft einzusetzen, wenn die Strahlung über flexible Lichtleiter zugeführt werden könnte. Aus der DE 41 28 617.0 ist nun eine solche Problemlösung mit einem flexiblen Licht leiter bekannt, jedoch zeigt sich diese Lösung als technisch recht aufwendig, und in der Praxis hat sich herausgestellt, daß die Lebensdauer derartiger Lichtleitersysteme sehr begrenzt ist, so daß im Routinebetrieb hohe Wartungskosten für Ersatz teile anfallen.It is known that pulsed infrared radiation in is able to use a quasi-non-thermal Process, the so-called photoablation, material to be removed (literature: 4th annual conference of the German Society for Laser Medicine 5.-8. October 1988, negotiation report EBM-Verlag, pg. 93-120). Several such systems are on Market, on the one hand for bone cartilage processing tung, a so-called holmium: YAG laser, the radiation still comes from anhydrous quartz fibers can be transferred to handpieces as well an erbium: YAG laser, the radiation of which 2.94 µm only over mirror joint arms can be worn. It is also known that the thermal side effects on tooth hard tissue using a Ho: YAG laser is much higher are compared to an Er: YAG laser or similar other pulsed lasers, so that the ver use of a Ho: YAG laser for dentists zin is not beneficial. An Er: YAG or an He: YSGG laser would be beneficial if the radiation is supplied via flexible light guides could be. DE 41 28 617.0 is now one such problem solving with a flexible light known ladder, but this solution shows up as technically quite complex, and has in practice it turned out that the lifespan of such Optical fiber systems is very limited, so that in Routine operation high maintenance costs for replacement parts arise.

Solution according to the invention

Erfindungsgemäß soll das bestehende technische Problem der leichten Handhabbarkeit eines Appli kationshandstückes, das Laserstrahlung im 2 bis 3 µm-Bereich abgeben kann, dadurch gelöst werden, daß die langwellige Laserstrahlung erst im Hand stück erzeugt wird und die notwendige Pumpener gie wiederum als Laserstrahlung über einen flexi blen Lichtleiter zugeführt wird.According to the existing technical Problem of easy handling of an Appli cation handpiece, the laser radiation in the 2nd to 3rd µm range can be solved, that the long-wave laser radiation is only in hand piece is generated and the necessary pumps in turn as laser radiation via a flexi blen light guide is supplied.

Es ist zwar grundsätzlich bekannt, Laserstrahlung durch koaxiales Pumpen mit Strahlung eines ande ren Lasers zu erzeugen, und wird in dieser Form beispielsweise bei bestimmten Farbstofflaser systemen oder auch bei Dioden-Laser gepumpten Festkörperlasersystemen verwendet. In keinem die ser Fälle war es jedoch notwendig, die Pumpstrah lung über größere Entfernungen durch eine optische Faser zu transportieren. Für die vorlie gende Aufgabenstellung besteht nun weiterhin das Problem, daß die geforderten Prozeßparameter von ca. 500 - 800 mJ/Puls infraroter Laserstrahlung bei Pulsbreiten von 100 - 400 µs und Wiederholraten von 3 - 10 Hz, insbesondere wegen der notwendigen hohen maximalen Ausgangsenergie, das Problem mit sich bringen, daß die normalerweise verfügbaren Konversionsraten von Pumpstrahlung in Laser strahlung unter 10% liegen, so daß in aller Regel mindestens das 10fache der gewünschten Ausgangs strahlung als Pumpstrahlung über optische Fasern zu transportieren ist. Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, daß die technische Konversionseffi zienz zusätzlich von den geometrischen Abmaßen des Laserkristalls abhängen und daß bei Verwen dung eines dünnen Laserstabes in Verlängerung der optischen Achse der die Pumplaserstrahlung übertragenden Faser wesentlich verbesserte Wirkungsgrade erzielt werden können (s. auch Abb. 1). Die erfindungsgemäße Lösung besteht nun darin, einen derartigen miniaturisierten Festkör perlaser, beispielsweise Er:YAG-, Er:YSGG-, CTE-YAG- oder Ytterbium-Erbium-YAG-Laser, direkt im Dentalhandstück anzuordnen und ledig lich noch durch ein optisches Umlenkelement in die gewünschte Richtung zu lenken. Die weiteren technischen Maßnahmen zur Manipulation der Strahlung sind nach dem Stand der Technik dem Durchschnittsfachmann geläufig. Erfindungs gemäße Ausführungsformen von Pumplaser und Arbeitsstrahlung emittierendem Laserstab im Handstück zur Erfüllung der eingangs formulierten Aufgabenstellung sind z. B. drei leicht unter schiedliche Varianten, bei denen jeweils eine andere Laserwellenlänge als Pumpstrahlung ver wendet wird. Dies ist erstens die Verwendung eines regulären free-running Nd:YAG-Lasers mit etwa 2 J Pulsenergie und einer Pulsbreite von ca. 1 bis 50 ms. Diese YAG-Strahlung wird über eine Quarzglasfaser mit etwa 800 µm Kerndurchmesser zu einem Er:YAG-Laserkristall, der im Handstück angeordnet ist, übertragen. Dabei ist dieser Er:YAG-Laserkristall mit Ytterbium-Atomen dotiert. Und zwar dergestalt, daß bei einer Länge von etwa 3 bis 5 cm die Pumplaserstrahlung nahezu vollständig absorbiert und in Wirkstrahlung umge setzt wird.It is known in principle to generate laser radiation by coaxial pumping with radiation from another laser, and is used in this form for example in certain dye laser systems or in diode laser pumped solid-state laser systems. In none of these cases, however, was it necessary to transport the pump radiation over longer distances through an optical fiber. For the task at hand, there is still the problem that the required process parameters of approx. 500 - 800 mJ / pulse infrared laser radiation with pulse widths of 100 - 400 µs and repetition rates of 3 - 10 Hz, in particular because of the necessary high maximum output energy, that Bring problem with that the conversion rates of pump radiation in laser radiation normally available are below 10%, so that generally at least 10 times the desired output radiation is to be transported as pump radiation via optical fibers. Surprisingly, however, it has been shown that the technical conversion efficiency also depends on the geometric dimensions of the laser crystal and that when using a thin laser rod in extension of the optical axis of the fiber transmitting the pump laser radiation, significantly improved efficiencies can be achieved (see also FIG. 1 ). The solution according to the invention now consists in arranging such a miniaturized solid-state laser, for example Er: YAG, Er: YSGG, CTE-YAG or ytterbium-erbium-YAG laser, directly in the dental handpiece and only in by an optical deflection element to steer the desired direction. The other technical measures for manipulating the radiation are known to the average person skilled in the art. Invention embodiments of pump laser and working radiation emitting laser rod in the handpiece to fulfill the initially formulated task z. B. three slightly different variants, each with a different laser wavelength than pump radiation is used ver. First, this is the use of a regular free-running Nd: YAG laser with approximately 2 J pulse energy and a pulse width of approximately 1 to 50 ms. This YAG radiation is transmitted via a quartz glass fiber with a core diameter of approximately 800 µm to an Er: YAG laser crystal, which is arranged in the handpiece. This Er: YAG laser crystal is doped with ytterbium atoms. And in such a way that with a length of about 3 to 5 cm, the pump laser radiation is almost completely absorbed and converted into active radiation.

Zweitens kann als Pumpstrahlungsquelle ein Nd:YAG-Laser benutzt werden, der die Wellen länge 1,44 µm emittiert. Derartige Systeme sind grundsätzlich bekannt und können technisch besonders einfach durch Anordnung eines Tiefpaßfilters im Resonator realisiert werden. Im Falle eines Nd:YAG-Lasers eignet sich insbesondere eine für die Strahlung 1,44 µm entspiegelte Silicium-Scheibe, die unter dem Brewsterwinkel im Resonator angeordnet wird. Die 1,44 µm-Strahlung wird dann wiederum durch eine Quarzglasfaser in das Dentalhandstück übertragen und kann hier direkt zum Pumpen eines Er:YSGG-Laserkristalls geringer Abmessung benutzt werden. Eine dritte erfindungsgemäße Lösung besteht darin, zunächst Laserstrahlung der Wellenlänge 2,65 - 2,69 µm zu erzeugen und diese Strahlung über extrem wasser freie Quarzfasern zum Pumpen eines Er:YAG- Laserkristalls vergleichbar kleiner Abmessungen, wie in den anderen Ausführungsbeispielen genannt, zu benutzen.Second, can be used as a pump radiation source Nd: YAG laser can be used to scan the waves length of 1.44 µm is emitted. Such systems are basically known and can technically particularly easy by arranging a low-pass filter can be realized in the resonator. In the event of an Nd: YAG laser is particularly suitable one anti-reflective for the radiation 1.44 µm Silicon wafer, which under the Brewster angle in Resonator is arranged. The 1.44 µm radiation is then in turn through a quartz glass fiber transfer the dental handpiece and can here directly for pumping an Er: YSGG laser crystal small dimensions can be used. A third solution according to the invention consists initially Laser radiation with a wavelength of 2.65 - 2.69 µm generate and this radiation over extremely water free quartz fibers for pumping an Er: YAG Laser crystal of comparable small dimensions, as mentioned in the other embodiments, to use.

In Weiterführung des Erfindungsgedankens wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Pumpstrahlung ein Laser mit einer Emissions wellenlänge zwischen 900 - 1000 nm, vorzugsweise bei 980 nm, genutzt. Als Miniaturlaser im Hand stück kann das bekannte Er:YAG-Material ver wendet werden.In continuation of the inventive concept in a preferred embodiment as Pump radiation a laser with an emission wavelength between 900 - 1000 nm, preferably at 980 nm. As a miniature laser in hand the well-known Er: YAG material be applied.

Anstelle der Übertragung der Pumpstrahlung über eine relativ dicke (0,5 - 1 mm ⌀) Quarzglasfaser ist auch die Übertragung durch mehrere parallele Fasern erfindungsgemäß. Eine besonders innova tive Lösung ergibt sich bei Verwendung von Hoch leistungslaserdioden im Pulsbetrieb für den oben angegebenen Wellenlängenbereich.Instead of transferring the pump radiation over is a relatively thick (0.5 - 1 mm ⌀) quartz glass fiber also the transmission through several parallel ones Fibers according to the invention. A particularly innovative tive solution arises when using high Power laser diodes in pulse mode for the above specified wavelength range.

Description of the picture

Abb. 1 zeigt das Prinzip einer bevorzugten Ausfüh rungsform des 2-Stufenlasersystems für die Dental chirurgie. Dabei ist der Pumplaser (1) eine der im beschreibenden Teil angesprochenen Varianten, dessen Strahlung über eine Abbildungsoptik (3) in einen oder mehrere optische Lichtwellenleiter (4), vorzugsweise Quarzglas-Lichtwellenleiter, ein koppelt und an dessen Ausgang die Pumplaser strahlung (10) über eine Koppeloptik (5) in einen erfindungsgemäßen Stablaser (2), wie im beschrei benden Teil angegeben, übertragen wird. Der Laserstab (2) ist an beiden Enden mit Resonator spiegeln (11 und 12) versehen, wobei der Spiegel (11) für die Pumplaserstrahlung durchlässig ist und für die Wirkstrahlung hochreflektierend ausgelegt ist. Der Spiegel (12) ist für die Pumplaserstrahlung totalreflektierend und für die Wirkstrahlung teilreflektierend ausgelegt. Das Ende des Licht wellenleiters (4), die Koppeloptik (5) sowie der Laser (2) sind in einem Applikator (8) optomecha nisch justierbar angeordnet. Fig. 1 shows the principle of a preferred embodiment of the 2-stage laser system for dental surgery. The pump laser ( 1 ) is one of the variants mentioned in the descriptive part, the radiation of which couples via an imaging optics ( 3 ) into one or more optical fibers ( 4 ), preferably quartz glass fibers, and at the output of which the pump laser radiation ( 10 ) via a coupling optics ( 5 ) in a rod laser ( 2 ) according to the invention, as specified in the descriptive part, is transmitted. The laser rod ( 2 ) is provided with resonators ( 11 and 12 ) at both ends, the mirror ( 11 ) being transparent to the pump laser radiation and designed to be highly reflective for the active radiation. The mirror ( 12 ) is designed to be totally reflecting for the pump laser radiation and partially reflecting for the active radiation. The end of the light waveguide ( 4 ), the coupling optics ( 5 ) and the laser ( 2 ) are arranged optically mechanically adjustable in an applicator ( 8 ).

Claims

1. 2-stage laser system for hard tissue surgery, characterized in that the radiation from a first laser is used via an optical waveguide for coaxial pumping of a second miniaturized laser crystal.

2. 2-stage laser system according to 1), characterized in that the first pump laser is a high-energy one flash pumped solid state laser.

3. 2-stage laser system according to 1), characterized in that as a pump laser with a pulsed diode laser an emission wavelength between 900 and 1000 nm is used.

4. 2-stage laser according to 1) and 2), characterized, that to transmit the pump laser radiation a quartz glass fiber is used.

5. 2-stage laser according to 1) to 3), characterized in that second the actual radiation bender laser is a thin rod-shaped laser crystal made of erbium-yttrium Aluminum grant is used.

6. 2-stage laser according to 1) to 4), characterized in that second the actual radiation emitting laser on for pump radiation transmitting fiber coaxially arranged Ytterbium Erbium Yttrium Crystal Aluminum garnet is used.