Electromagnetic energy dispersion in the electromagnetic induction destruction cut

本発明は、一般的には、電子デバイスに関するものであり、特に、レーザの出力光エネルギー分散に関するものである。

（関連出願の相互引用）
本出願は、２００４年１月８日に出願された米国仮特許出願第６０／５３５,００４号に基づく優先権を主張するものであり、その内容は、引用により本出願に明白に組み入れられる。 本出願はまた、１９９５年８月３１日に出願され現在米国特許第５,７４１,２４７号である「電磁誘導切断における噴霧流体粒子」という名称の米国特許出願第０８／５２２,５０３号の一部継続出願である、１９９７年６月１２日に出願され現在は米国特許第６,２８８,４９９号である「電磁誘導機械切断における電磁エネルギー分散」という名称の米国特許出願第０８／９０３,１８７号の継続出願である、２００１年６月１８日に出願された「電磁誘導機械切断における電磁エネルギー分散」という名称の米国特許第０９／８８３,６０７号の継続出願である、２００２年６月６日に出願された「電磁誘導機械切断における電磁エネルギー分散」という名称の米国特許出願第１０／１６４，４５１号の継続出願である、２００４年１１月１８日に出願された「電磁誘導機械切断における電磁エネルギー分散」という名称の米国特許出願第１０／９９３,４９８号の一部継続出願であり、これらの全てが共通に譲受されており、それらの内容は引用により本出願に明白に組み入れられる。

様々な電磁レーザエネルギー生成アーキテクチャが、従来技術において存在していた。 例えば、固体状態レーザシステムは、一般的には、コヒーレント光を発するためのレーザロッド、及びそのレーザロッドを誘導してコヒーレント光を発するためのソースを備える。 典型的には、フラッシュランプは、例えばＥｒ,Ｃｒ：ＹＳＧＧ、及びＥｒ：ＹＡＧレーザシステムのような、２．５μｍ〜３．５μｍの間の中間赤外線レーザにおける誘導源として使用される。 フラッシュランプは、所定のパルス形状、及び所定の周波数を備えるフラッシュランプ電流により駆動される。

フラッシュランプ電流は、所定の周波数でフラッシュランプを駆動して、それにより、そのフラッシュランプ電流と実質的に同じ周波数を持つ出力フラッシュランプ光の分散を作り出す。 フラッシュランプからのこの出力フラッシュランプ光の分散がレーザロッドを駆動して、フラッシュランプ電流と実質的に同じの所定の周波数で、コヒーレント光を作り出す。 レーザロッドによって生成されたコヒーレント光は、一般的にフラッシュランプ電流のパルス形状に対応する時間にわたって、出力光エネルギー分散を有する。

ある時間にわたる出力光エネルギー分散のパルス形状は、典型的には、最大エネルギーまで増加する比較的緩やかに上昇するエネルギー、及びその後ある時間にわたって減少するエネルギーを含む。 典型的な出力光エネルギー分散のパルス形状は、レーザシステムの比較的効率的な動作を提供することができ、それは、平均出力光エネルギー対レーザシステム内に入力された平均電力、の比較的高い比率に対応する。

従来技術のパルス形状は、切断処理に適しているとすることができ、例えばそこでは、出力光エネルギーをターゲット表面上に向けて、接触組織の切断を誘導する。 しかしながら、特定の従来の手順を利用して、熱切断を用いる時、周囲の構造又は組織の炭化、或いは燃焼というような、望ましくない二次損害が生じ得る。 しかしながら、より新規な切断手順は、レーザ誘導熱的加熱のみに全く依存しているわけではないとすることができる。 特に、米国特許第５,４７１,２４７号で開示されるような切断機構は、レーザシステムからの出力光エネルギーを、初めに、そのターゲット表面の上のある量の空間内に置かれた噴霧流体粒子の分散に向ける。 次に、破壊（例えば、機械、熱動力、及びその他）切断力を組織上に与えることができる。 特定の実施では、出力光エネルギーの少なくとも一部分が、噴霧流体粒子と相互作用して、その噴霧流体粒子を拡張させ、そのとき、電磁誘導破壊力がターゲット表面上に与えられるであろう。 出力光エネルギーの噴霧流体粒子との固有の相互作用の結果として、多くの従来技術の出力光エネルギー配信のパルス形状及び周波数は、例えば切断、除去、削磨、洗浄及びその他のような、最適な電磁誘導破壊（例えば、機械、熱動力、及びその他）プロセスを提供するのに、特に適しているわけではなかった。 出力光エネルギー分散の特化は、例えば、その出力光エネルギーを、最初に結合して噴霧流体粒子の高吸収分子にし、次に切断される材料の高吸収分子にするパルスエネルギーの伝達を引き起こすために、噴霧流体粒子の分散に向けたとき、最適な切断に有利とすることができる。

（本発明の要約）
本出願で開示された出力光エネルギーの分散は、各パルスの最初における、比較的急勾配のリーディングエッジによる比較的高いエネルギーの抑圧を含む。 １又は複数のパルスの傾斜は、５より大きい、又は５と等しいことが好ましい。 さらに、出力光エネルギー分散の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、０．０２５マイクロ秒より大きい。 より好ましくは、半値全幅が０．０２５マイクロ秒〜２５０マイクロ秒の間であり、さらに好ましくは、１０マイクロ秒〜１５０マイクロ秒の間である。 示した実施形態では、約７０マイクロ秒の半値全幅である。 フラッシュランプを使用して、レーザシステムを駆動し、電流を使用して、フラッシュランプを駆動する。 フラッシュランプ電流生成回路は、約３０〜約７０マイクロヘンリーの範囲のインダクタンスを持つ固体コアインダクタ、及び約３０〜約−７０マイクロファラド範囲の静電容量を持つコンデンサを備える。

本出願で開示された出力光エネルギー分散は、切断装置が、体の組織のようなターゲット表面を、そのターゲット表面への有害な二次損傷を減らして、好ましくは全く無く切断することを、可能にする。 装置は、更なる流体の付加を必要とすることなく、ターゲット表面を切断することができる、すなわち言い換えると、ターゲット組織の切断は、出力エネルギーのみの、或いはターゲット表面の上に置かれた流体粒子の破壊によって、或いはそれをめぐってターゲット表面上、又はターゲット表面内に与えられた破壊（例えば、機械、熱動力、及びその他）エネルギーと組合せた熱エネルギーにより生じることができる。 レーザシステムからの出力光エネルギーは、初めに、ターゲット表面の真上のある量の空間内に置かれた噴霧流体粒子の分散に向けられ、次に材料に向けられ、そこでは急な傾斜を持つ非常に高速で立ち上がるパルスに吸収分子をさらし、材料のその成分の局所的拡張、及び幾つかの実施形態では、それに続く、材料内への最小限の熱的加熱の付加により、或いは熱的加熱を全く無くその材料の除去、をもたらすことができる。 その装置はまた、フィルタを含んで、電磁エネルギー源から伝送される電磁エネルギーを空間的、かつ時間的に変更することができる。 フィルタは、水のような流体を含むことができ、かつ、噴霧流体粒子の分散として提供されることもできる。

本発明はさらに、組織を改造する方法も含むことができる。 本方法の実施により、電磁エネルギーのパルスは組織の表面に向けられ、そのパルスを、ターゲット表面、及び／又は組織の局所的溶解、又は再生を実現するように調整することができる。

本発明の更なる側面として、イオンをターゲット表面まで配信する方法が開示されている。 この側面により、粒子をターゲット表面上に投射することができ、その表面内に機械的に保持されている埋め込まれた１又は複数のイオンにより、その表面を再生することができる。

添付の例証の図面とからめて解釈される以下の説明を参照することにより、本発明を、その更なる特徴及び利点とともに、最も良く理解することができる。

（本発明の詳細な説明）
特に図面を参照すると、図１は、従来技術による、フラッシュランプ駆動電流対時間のプロットを示している。 最初に、フラッシュランプ駆動電流１０は、最大値１２まで増加する。 初期傾斜路１４は、典型的には、１〜４の間の傾斜（電流を時間で割ったもの）を備える。 最大値１２に達した後、逓減電流部分１６で示されるように、フラッシュランプ駆動電流１０が、時間とともに減少する。 さらに、従来技術のフラッシュランプ駆動電流１０は、典型的には、約３００マイクロ秒のパルス幅を備えることができる。 フラッシュランプ駆動電流１０の半値全幅は、典型的には、２５０〜７５０マイクロ秒の間である。 半値全幅は、時間軸についてプロットされた半値全幅の範囲の長さに対応する時間の値、と定義される。 半値全幅の範囲は、その振幅が最初にパルス全体のピーク振幅の１／２に達する開始時刻から、パルス内の最終時間である、振幅がピーク振幅の１／２に達する終了時刻まで、時間軸について定義される。 半値全幅は、開始時刻と終了時刻との間の差である。

図２は、典型的な従来技術のレーザの出力光エネルギーについての、エネルギー対時間のプロットを示している。 出力光エネルギー分布２０は、一般的には、最大値２２、初期傾斜路２４、及び逓減出力エネルギー部分２６を含む。 微小パルス２８は、誘導放射によりコヒーレント光が生成される時の、レーザロッド内の反転分布の変化と関連付けられる、振動緩和プロセスに対応する。 レーザの平均電力は、所定の時間にわたって配信される電力と定義することができ、それは、典型的には多数のパルスを含んでいる。 レーザシステムの効率は、レーザの出力光電力の、フラッシュランプを駆動するのに必要とされるシステム内への入力電力に対する比率と定義することができる。 典型的な従来技術のレーザシステムは、システムの効率を最適化するフラッシュランプ駆動電流１０、及び出力光エネルギー分散２０で設計される。

図３は、本発明の実施形態によるアナログフラッシュランプ駆動回路３０を示している。 フラッシュランプ駆動回路３０は、高電圧電源３３、コンデンサ３５、整流器３７、インダクタ３９、及びフラッシュランプ４１を備える。 コンデンサ３５は、高電圧電源３３とグラウンドとの間に接続され、フラッシュランプ４１は、インダクタ３９とグラウンドとの間に接続される。 高電圧電源３３は、毎秒１５００ジュールの充電率を持つ、１２００〜１５００ボルトの電源を備えることが好ましい。 フラッシュランプ４１は、４５０〜９００トルのソースを備えることができ、７００トルのソースを備えることが好ましい。 コンデンサ３５は、３０〜７０マイクロファラドのコンデンサを備え、５０マイクロファラドのコンデンサを備えることが好ましく、及び、整流器３７は、シリコン制御整流器を備えることが好ましい。 インダクタ３９は、３０〜７０マイクロヘンリーの固体コアインダクタ、或いはその等価物を備え、５０マイクロヘンリーの固体コアインダクタ、或いはその等価物を備えることが好ましい。 代替の実施形態では、インダクタ３９は、１３マイクロヘンリーのインダクタンス、又は１０〜１５マイクロヘンリーのインダクタンスを備えることができる。 更に他の代替の実施形態では、インダクタ３９は、固体コアインダクタ又はその等価物において、インダクタンス値が１３マイクロヘンリー、又は１０〜１５マイクロヘンリーのインダクタンスを備えることができる。 実用的な範囲で、回路３０はデジタル素子を含むことができる。 例えば、以下で説明するように、比較的速い立ち上がり時間を持つフラッシュランプ駆動電流を得るために、インダクタ３９、及び静電容量３５について他の値を実装することもできる。

図４は、本発明のフラッシュランプ駆動電流５０を示しており、それは、インダクタ３９からフラッシュランプ４１まで通り過ぎる。 本発明のフラッシュランプ駆動電流は、約０．２５マイクロ秒より大きいパルス幅を持つことが好ましく、５０〜３００マイクロ秒の範囲内のパルス幅を持つことがより好ましい。 説明する実施形態では、パルス幅は約２００マイクロ秒である。 フラッシュランプ駆動電流５０は、最大値５２、初期増加部分５４、及び逓減電流部分５６を備える。 フラッシュランプ４１は、陽極、陰極、及びそれらの間に、キセノン又はクリプトンのような気体を持つ円筒ガラス管を備えることが好ましい。 フラッシュランプ駆動電流５０をフラッシュランプ４１の陽極に加える時、陽極と陰極との間の電位が増大する。 初期増加５４で示されるように、フラッシュランプ駆動電流が増大するにつれて、電位が増大する。 電流がフラッシュランプ４１の気体を通って流れ、フラッシュランプ４１が明るいインコヒーレント光を発するという結果になる。

例えば、フラッシュランプ４１をレーザロッド（示されていない）に密結合させることができ、それは円筒結晶を備えることが好ましい。 フラッシュランプ４１、及びレーザロッドは、好ましくはそれらの間に１ｃｍの間隔をあけて、互いに平行に配置される。 レーザロッドは、２つの皿に取り付けられ、フラッシュランプ駆動電流回路３０に電気的に接続されない。 フラッシュランプ４１は、レーザロッドを誘導する好ましい手段を備えるが、本発明により、他の手段もまた熟慮される。 例えば、励起源として、フラッシュランプではなく、ダイオードを使用することもできる。 誘導放射により光増幅を生成するためのダイオードの使用は、１９９６年に出版された、ＷａｌｔｅｒＫｏｅｃｈｎｅｒ著、固体状態レーザ工学 第４拡張改訂及び更新版という本で論じられており、その内容は、引用により本出願に明白に組み入れられる。

この好ましいフラッシュランプ４１からのインコヒーレント光は、レーザロッドの外側表面に突き当たる。 インコヒーレント光がレーザロッド内を貫通する時、レーザロッド内の原子又はイオンが、その貫通した光を吸収し、続いて、誘導放射プロセスを通して、コヒーレント光を発する。 原子又はイオンは、エルビウム、及びクロムを含むことができ、レーザロッド自身は、例えばＹＳＧＧのような結晶を含むことができる。 この好ましいレーザシステムは、２．７０〜２．８０ミクロンの範囲の波長を持つ電磁エネルギーを生成するＥｒ,Ｃｒ：ＹＳＧＧ固体状態レーザか、又は２．９４０ミクロンの波長を持つ電磁エネルギーを生成するエルビウム、イットリウム、アルミニウムガーネット（Ｅｒ：ＹＡＧ）固体状態レーザか、のいずれかを備える。 この好ましいものとして、Ｅｒ，Ｃｒ：ＹＳＧＧ固体状態レーザはほぼ２．７８９ミクロンの波長を持ち、Ｅｒ：ＹＡＧ固体状態レーザはほぼ２．９４０ミクロンの波長を持つ。 代替の一実施形態より、レーザロッドはＹＡＧ結晶を備えることができ、不純物はエルビウム不純物を含むことができる。 様々な他の可能性が存在するが、そのうちの数個が、上述の１９９６年に出版された、ＷａｌｔｅｒＫｏｅｃｈｎｅｒ著「固体状態レーザ工学 第４拡張改訂及び更新版」という本に示されており、その内容は、引用により明白に本出願に組み入れられる。 他の可能性のあるレーザシステムは、２．７０〜２．８０ミクロンの範囲内の波長を持つ電磁エネルギーを生成するエルビウム、イットリウム、スカンジウム、ガリウムガーネット（Ｅｒ：ＹＳＧＧ）固体状態レーザ、２．９４ミクロンの波長を持つ電磁エネルギーを生成するエルビウム、イットリウム、アルミニウムガーネット（Ｅｒ：ＹＡＧ）固体状態レーザ、２．６９ミクロンの波長を持つ電磁エネルギーを生成するクロム、ツリウム、エルビウム、イットリウム、アルミニウムガーネット（ＣＴＥ：ＹＡＧ）固体状態レーザ、２．７１〜２．８６ミクロンの範囲内の波長を持つ電磁エネルギーを生成するエルビウム、イットリウム、オルトアルミナ（Ｅｒ：ＹＡＬ０３）固体状態レーザ、２．１０ミクロンの波長を持つ電磁エネルギーを生成するホルミウム、イットリウム、アルミニウムガーネット（Ｈｏ：ＹＡＧ）固体状態レーザ、２６６ナノメートルの波長を持つ電磁エネルギーを生成する四重ネオジム、イットリウム、アルミニウムガーネット（四重Ｎｄ：ＹＡＧ）固体状態レーザ、１９３ナノメートルの波長を持つ電磁エネルギーを生成するフッ化アルゴン（ＡｒＦ）エキシマレーザ、３０８ナノメートルの波長を持つ電磁エネルギーを生成する塩化キセノン（ＸｅＣｌ）エキシマレーザ、２４８ナノメートルの波長を持つ電磁エネルギーを生成するフッ化クリプトン（ＫｒＦ）エキシマレーザ、及び９〜１１ミクロンの範囲内の波長を持つ電磁エネルギーを生成する二酸化炭素（ＣＯ２）を含む。

原子又はイオンと関連付けられる、電子のような粒子は、突き当たったインコヒーレント放射からのエネルギーを吸収し、より高い原子価の状態まで上昇する。 準安定レベルまで上昇した粒子は、例えば、放射のエネルギー粒子が誘導遷移を励起するまでとういうように、しばらくの間、このレベルにとどまる。 エネルギー粒子による、準安定レベルにおける粒子の誘導は、両方の粒子のグラウンド状態までの崩壊、及び双コヒーレント光子の放射（エネルギーの粒子）、という結果になる。 双コヒーレント光子は、レーザロッドの両端におけるミラー間で、そのレーザロッドを通って共振することができ、準安定レベル上の他の粒子を誘導して、それにより、続いて、双コヒーレント光子放射を生成することができる。 このプロセスは、放射線の誘導放射による光増幅と呼ばれる。

フラッシュランプ４１からの誘導するインコヒーレント光によって準安定レベルまで引き上げられた大多数の粒子が、より低い状態まで崩壊し戻るまで、その増幅効果は続くであろう。 準安定状態からより低い状態までの大多数の粒子の崩壊は、多数の光子の生成という結果になり、これは、上向きに立ち上がる微小パルス（例えば、図５の６４）に対応する。 グラウンドレベル上の粒子が、再び、準安定状態まで誘導し戻されるにつれて、放射される光子の数は減少し、それは、例えば、微小パルス６４における下向き傾斜に対応する。 レーザシステムによるコヒーレント光子の放射の減少に対応して、微小パルスは減少し続ける。 準安定レベルまで誘導された粒子の数は、生成されたコヒーレント光子の数を増大させるのに十分なレベルで誘導放射が生じる量まで、増大する。 コヒーレント光子の生成が増大し、準安定レベル上の粒子が崩壊するにつれて、コヒーレント光子の数は増大し、これは、上向きに立ち上がる微小パルスに対応する。

レーザシステムのある時間にわたる出力光エネルギー分散を、図５の６０に示す。 本発明の出力光エネルギー分布は、約０．２５マイクロ秒より大きいパルス幅を持つことが好ましく、５０〜３００マイクロ秒の範囲内のパルス幅を持つことがより好ましい。 図示した実施形態では、パルス幅は約２００マイクロ秒である。 出力光エネルギー分散６０は、最大微小パルス値６２、多数の微小リーディングパルス６４、６６、６８、及び概して減少する光エネルギー７０の一部分を含む。

本発明により、出力光エネルギー分散６０は、大きい規模を備える。 この大きい規模は、パルスの立上り区間における、一又はそれ以上の鋭く立ち上がった微小パルスに対応する。 図５に示すように、微小パルス６８は、ちょうどパルスの開始において、或いはその近くで、最大値６２を含む。 さらに、典型的には２５０〜３００マイクロ秒の範囲である従来技術の半値全幅にくらべて、図５における出力光エネルギー分散の半値全幅は、ほぼ７０マイクロ秒であり、他の実施形態では、約４０〜６５マイクロ秒の間とすることができる。 出願人の発明は、０．０２５マイクロ秒より大きい、好ましくは１０〜１５０マイクロ秒の範囲である半値全幅を備えるパルスを意図しているが、他の範囲もまた可能であろう。 さらに、例えば、３００マイクロ秒より大きい典型的な従来技術のパルス幅に比べて、出願人の発明は、０．２５〜３００マイクロ秒の間のパルス幅を考えている。 本発明の更なる側面は、０．２５〜３００マイクロ秒の間のパルス幅範囲のパルスの、３００〜８００マイクロ秒の間のパルス幅範囲のパルスとの組合せである。 さらに、１〜２０Ｈｚの周波数が、ここでは好ましい。 そのかわりに、２０〜１５０Ｈｚの周波数を使用することもできる。 出願人の発明は、概して、１〜１５０Ｈｚの間の周波数を意図している。 ダイオード励起Ｑスイッチレーザの場合、周波数は、ＫＫｚレンジ内と同じくらい高いとすることができる。

上で言及したように、半値全幅の範囲は、振幅が最初にピーク振幅の半分より上に上昇する開始時刻から、パルス幅間の最終時間である、振幅がピーク振幅の半分より下に下がる終了時刻まで、と定められる。 半値全幅は、開始時刻と終了時刻との間の差と定義される。

パルス幅と比べて、半値全幅の範囲の時間軸に沿った位置は、パルスの最後よりもパルスの最初に近い。 半値全幅の範囲の位置は、時間軸に沿って、パルスの初めの１／２以内であることが好ましく、パルスの初めの約１／３以内であることがより好ましい。 本発明により、半値全幅の範囲の他の位置もまた可能である。 パルスの立ち上がり時間は、最初の５〜３５マイクロ秒以内に生じることが好ましく、パルスの開始から最初の１２．５マイクロ秒以内に生じることがより好ましい。 開始時間は、パルス幅の初めの１／１０以内で実現されることが好ましい。

出力光エネルギー分散７０のもう１つの識別特徴は、例えば、微小パルス６４、６６、６８が最大振幅６２のほぼ１／３を備えることである。 微小リーディングパルス６４、６６、６８が最大振幅６２のほぼ１／２の振幅を備えることが、より好ましい。 これに対して、図２に示すような従来技術の微小リーディングパルスは、振幅が比較的小さい。

出力光エネルギー分散６０の勾配は、５より大きい、又は５に等しく、他の実施形態では、約１０より大きい。 図示した実施形態では、勾配は約５０である。 これに対して、従来技術の出力光エネルギー分散２０の勾配は約４である。

エネルギーを使用して柔らかい組織の切断を改善する実施形態のような、本発明の更なる実施形態では、パルスの勾配は、より急ではないとすることができる。 例えば、パルスの形状は、上で解説した形状より滑らかとすることができる。 より急でない初期勾配を持つパルスを利用することにより、例えば、切断された組織の凝固の改善を実現することが可能であろう。

特定の実施形態では、図６に示すように、短パルスと長パルスを交互にすることにより、切断、凝固、及び／又は組織改造の効果を実現する。 図示された図６の実施形態では、短パルスは、長パルスと比べて、比較的大きい振幅を備える。 例えば、短パルス及び長パルスの様々な並びで、一連のパルスを提供することにより、切断効果を得ることができる。 一実施形態では、パルスの列は、交互の短パルス、及び長パルスを含むことができる。 他の実施形態では、パルスの列は、長,長,短、或いは短,短,長のようなパルスの並びを含むことができる。 更なるパターン、又は並びもまた、利用することができる。 パルス形状を交互にすること、或いは変化させることを利用することにより、如何なる単一のパルス形状によっても実現不可能な結合効果を得ることが可能であろう。 例えば、短パルス、及び長パルスの組合せを利用することにより、比較的強い凝固を伴った深い切断を作り出すことが可能であろう。 典型的には、より短いパルスは、適度な凝固を伴った比較的深い切断を作り出す傾向があり、より長いパルスは、強い凝固を伴った比較的浅い切断を作り出す傾向がある、とすることができる。 本出願で使用される限り、「長」パルスは、より短いパルスにくらべて、より急でない勾配、及びより長いテールを持つパルスである。 特定の実施形態では、長パルスは、約７００マイクロ秒の継続時間を持つことができる。

図７は、図６に示す短パルスの拡大図を示している。 図７のパルスは、ほぼ８００ミリボルトの最大振幅を持つ。

図８は、図６に示した長パルスの拡大図を示している。 図８のパルスは、ほぼ１２０ミリボルトの最大振幅を持つ。 しかしながら、図８のパルスは、図７のパルスより実質的に長い継続時間を持つ。 例えば、図８の長パルスは、ほぼ１６５０マイクロ秒（２５０μｓ／ｄｉｖ＊６．６）の継続時間を持つことができるのに対して、図７の短パルスは、約７５０マイクロ秒〜約１０００マイクロ秒の継続時間を持つことができる。 図示した実施形態では、図７に示したパルスの各々、及び図８に示したパルスの各々の下の面積は、実質的に等しい。 しかしながら、変更された実施形態では、その面積が互いに変化することができる。 当業者は理解しているように、各パルスにおける電圧追跡のもとで積分を特定することにより、各面積を計算することができる。 従って、図示された実施形態では、短パルスのエネルギー、及び長パルスのエネルギーは、実質的に等しいとすることができる。 様々な最大振幅、及び継続時間のパルスを生成することにより、例えば、図示した実施形態において実質的に等しいエネルギーで、単一パルス形式のみを利用するシステムに比べて、ターゲット材料の切断、凝固、又は改造における改善を得ることが可能であろう。

図９及び１０は、それぞれ、短パルス、及び長パルスの更なる拡大図を示している。 パルスについての各電圧追跡を、異なる尺度で提供する。

特定の実施形態では、本出願で開示された装置は、２つの高電圧電源を含むことができる。 一実施形態では、１つの電源が、１つのパルス形成ネットワーク（例えば、ＬＣ回路）を充電し、第２の電源が、第２のパルス形成ネットワーク（例えば、ＬＣ回路）を充電する。 次に、各パルス形成ネットワークは、同じランプを通して、放電することができる。

本発明の出力光エネルギー分散６０は、ターゲット表面に向けられた、レーザのような電磁エネルギー源の切断効果を最大化するのに役立つであろう。 ターゲット表面上又はターゲット表面で、ターゲット表面内で、及び／又はターゲット表面より上で、切断及び／又は削磨効果が生じるであろう。 本出願で開示された光エネルギー分散を使って、電磁エネルギーを、そのエネルギーの一部が流体によって吸収されるようにターゲット表面に向けることにより、そのターゲット表面を破壊することが可能である。 エネルギーを吸収する流体は、ターゲット表面上、ターゲット表面内、ターゲット表面の上にある、或いはそれらの組合せ、とすることができる。 一実施形態では、エネルギーを吸収する流体は、水を含むことができる、及び／又は水酸基を含むことができる。 流体が、電磁エネルギーを高く吸収する水酸基、及び／又は水を含むとき、これらの流体分子は振動し始めることができる。 分子が振動するにつれて、破壊（例えば、機械的、熱動力的、又は他の形式の仕組み）につながる拡張をもたらす局所的な加熱が作り出される。 ターゲット表面上の他の分子による、衝突した電磁エネルギーの吸収によって、他の形式の破壊効果も生じ得る。 従って、エネルギー吸収によってもたらされた切断効果は、熱特性（例えば、熱切断）、或いは熱動力効果によるものとすることができ、また、ターゲット表面を大いに加熱することのない分子（例えば、ターゲット表面の上の水）によるエネルギーの吸収によるものとすることもできる。 流体出力と組合せて切断を実行する特定の実施形態、及びまた、流体出力を使用しない特定の実施形態では、本出願で開示された電磁エネルギー分散の使用は、炭化、又は燃焼のような、ターゲット表面への二次損傷を減らすことができる。 従って、電磁エネルギーによってもたらされる切断効果の一部は、熱エネルギーによるものとすることができ、また切断効果の一部は、電磁エネルギーを吸収する分子の破壊により生成される破壊（例えば、機械的、熱動力的、又は他の形式の効果）力によるものとすることができる。

ターゲット表面上に破壊力を与える、或いはターゲット表面を切断して凝固、又は改造するために使用される装置は、少なくともエネルギーの一部分が流体によって吸収されるように、電磁エネルギーをターゲット表面に向けるように構成される。 破壊力をターゲット表面上に与えるための一装置が、「電磁誘導切断のための噴霧流体粒子」という名称の米国特許第５，７４１，２４７号で開示されている。 その装置の切断効果を、ターゲット表面の上の噴霧流体粒子によってもたらすことができるだけでなく、そのかわりに、又はさらに、ターゲット表面上、又はターゲット表面内の流体によるエネルギーの吸収により、切断効果をもたらすこともできる。 その装置の一実施形態では、ターゲット表面より上に置かれた流体、ターゲット表面上に置かれた流体、又はターゲット表面内に置かれた流体の組合せによるエネルギー吸収の効果によって、切断効果がもたらされる。 一実施形態では、衝突した電磁エネルギーの約１／３が流体粒子を通り抜け、ターゲット表面上に衝突し、その衝突したエネルギーの一部が、ターゲット表面を切断するように、或いはターゲット表面の切断に寄与するように作動することができる。

その装置にはフィルタもまた提供されて、電磁エネルギー源から伝送される電磁エネルギーを、フィルタなしでターゲット表面へ伝送された電磁エネルギーと比べて遅れずに、１又はそれ以上の点において、空間的に異なる手法で、ターゲット表面を破壊するように変更することもできる。 フィルタの空間的及び／又は時間的構成により、電磁エネルギーの空間的、及び／又は時間的分散を変えることができる。 例えば、フィルタは流体を備えることができ；一実施形態では、フィルタは、その特徴（例えば、サイズ、分散、速度、構成）がある時間にわたって空間的に変化して、ターゲット表面上に衝突するエネルギーの量を変えることのできる、噴霧流体粒子の分散である。 一例として、フィルタを、ターゲットの上に断続的に置いて、衝突するエネルギーの輝度を変え、それにより、ある形式のパルス効果を提供することができる。 そのような例では、水のスプレーを断続的に加えて、衝突する放射を横切ることもできる。 幾つかの実施形態では、フィルタの利用により、典型的にはフィルタを持たない従来技術のレーザの熱切断と関連付けられる二次的加熱／損傷を減らして、又は二次的過熱／損傷なしで、ターゲット表面の切断を実現することができる。 フィルタの流体は、水を含むことができる。 本出願で開示される他の流体出力、エネルギー源、及び他の構造及び方法と同様に、フィルタからの出力は、「材料剥離剤及び方法」という名称の米国特許第６,２３１,５６７号で説明される流体出力、及び他の構造／方法のいずれかを含むことができ、その内容全体が、互換性があって、相互に排他的でない程度まで、引用により本出願に組み入れられる。

高輝度の微小リーディングパルス６４、６６、及び６８は、ターゲット表面に向けられたエネルギーのいくつかの高いピーク量を与えることができる。 エネルギーをターゲット表面に向けて、所望の切断効果を獲得する。 例えば、幾つかの例では、水又は他の生体適合流体を含むことのできるターゲット表面の材料上又は内に存在する噴霧流体粒子内、及び流体及び／又はＯＨ分子内に、エネルギーを向けて、それにより、流体を拡張させ、ターゲット表面に対して破壊（例えば、機械）切断力を誘導する、或いはターゲット表面の破壊（例えば、機械破壊、熱動力、又は任意の他の形式）を誘導することができる。 最大微小パルス６８の後の微小トレイリングパルスが、材料の除去を助けることがわかった。 本発明により、単一の大きい微小リーディングパルス６８を生成することができる、或いはそのかわりに、２又はそれ以上の大きい微小リーディングパルス６８（又は、例えば６４、６６）を生成することもできる。 本発明の一側面により、パルスの比較的より急な傾斜、及びより短いパルスは、材料内で作り出される残留熱の量を下げることができる。

本発明のフラッシュランプ電流生成回路３０は、例えば約０．２５〜３００マイクロ秒の、比較的狭いパルスを生成する。 さらに、例えば最初の２５０〜３００マイクロ秒内で生じる従来技術の半値全幅とくらべて、本発明の光出力エネルギー分散６０の半値全幅は、最初の３０〜７０マイクロ秒以内で生じることができる。 本発明の各パルスのリーディング部分における光エネルギーの比較的高速な周波数、及び比較的大きな初期分散は、比較的効率的な切断（例えば、機械切断、熱動力、又は他の形式）という結果になることができる。 本発明の出力光エネルギー分散は、組織及び材料を、切断、成形、除去、凝固、又は改造するようにされることができ、さらに、ターゲット表面より上の噴霧流体粒子内、又はターゲット表面上又は内に置かれた他の流体粒子内に、電磁エネルギーを与えるようにされることができる。 本発明の出力光エネルギー分散により得られる切断効果は、完全かつ強力の両方であり、さらに、ターゲット表面上に一貫性のある切断、又は他の破壊力を与えることができる。

本出願で開示された装置を使用して、生物学的ターゲット、又は非生物学的ターゲット上に切断力を与えることができる。 殆どの実施形態では、１又は複数のパルスを使用して、歯、骨、又は軟骨のような体組織を切断、凝固、又は改造するのに効果的な力を生成することができる。 上で説明したように、可変パルス形状の列を利用することにより、改善された、或いは異なる切断性能を得ることが可能であろう。 例えば、短く高輝度なパルスで歯の表面を切断し、より長くより低輝度なパルスと関連付けられる「融解」効果により歯の細管を閉路を促進することが可能であろう。 このような効果は、例えば、根管の処置、又は減感の治療をするための細管の閉路又は融解のような、減感の治療をするための歯肉における１又は複数の歯の侵食に、特に有用とすることができる。 そのかわりに、又はさらに、パルス列を使用して、空洞を減らす又は抑制するように、歯のエナメル、又は象牙質を溶融改造することができる。 上で説明したように、長パルス及び短パルスの列を提供することにより、血管組織のような深い組織を切断、及び凝固することもまた可能であろう。

本発明の更なる実施形態により、ターゲット（例えば、組織）へ向けられた電磁エネルギー（例えば、電磁エネルギーのパルス）の流束量を用いて、ターゲットの改造を実現することができる。 図１１は、本発明による、ターゲット（例えば、組織）を改造する方法の実施を説明するフローチャートである。 この実施は、ステップ１００において、電磁エネルギーのパルスを組織の表面に向けることを含む。 一例によるその組織は、歯のエナメル、又は象牙質組織の上位層とすることができる。 例証の方法の実装は、ステップ１０５において、例えば組織及び／又はその他のターゲットの局所的な融解及び／又は改質を含み得る、改造を実現するようにパルスを調整することにより続行される。

ターゲットが堅い組織を備える場合、改造は、その組織の構造の堅さを高め、例えば口の中の低いｐＨによる酸、又は細菌により作られる酸に対して、組織をより抵抗力のあるものにすることができる。 その調整は、本出願で説明するように、電磁エネルギーパルスのパラメータ（例えば、傾斜の急峻さ、又はパルスの継続時間）を変更することを含むことができる。 一般的には、上で説明したような比較的急な傾斜を有するパルスは、例えば堅い組織の上位層の比較的速く、効果的な改造を実現するために、エネルギーを組織内へ伝達する特定の例において、より効果的であるとすることができる。 特定の実施形態では、短パルスが、幾らかの実施において、切断及び改造に効果的であるとすることができるが、その一方で、長パルスが、幾らかの実施において、改造に、より効果的であることもある。 切断のために短パルスを使用する場合には、特定の例において、より高い流束量を用いることができる。 調整は、例えば、様々な形式のパルスの継続時間を変えることを含むことができ、ここで、一例では、「継続時間」という語は、本出願で説明するような「半値全幅の範囲」を含むことを意図され、他の例では、パルス長を含むことを意図される。 例えば、超短パルスは、約０〜３０μｓの継続時間の範囲とすることができ、短パルスは、約３０〜１５０μｓの範囲の継続時間を持つことができ、長パルスは、約１５０〜約８００μｓの範囲の継続時間を持つことができる。 例として、短（或いは超短）及び長パルスの同時放射を含む特定の実施形態において、他の調整手法を適用することもできる。 更なる実施形態により、例えば長パルス、短パルスというように、１つの形式の次に他の形式が続いいて、パルスは交互になることもできる。 さらに、他の実施形態は、第１の数の１つの形式のパルスが第２の数の他の形式のパルスと交互になるというように、パルスの列を交互にすることもできる。 表１は、用いることのできるパルス列の形式の幾つかの例を列挙している。 表の各項目は、例えば一度生じる、及び／又は繰り返す、或いは周期的に繰り返すパルスの基本ペアを、任意の順番で（すなわち、Ａ＋Ｂ，又はＢ＋Ａ）表すことができる。
表１

改造において、組織の薄い層は、影響を及ぼされ（例えば、融解されるというように、柔らかくされる）、（例えば、冷却の後）改良することを可能にされることができる。 表面改造の場合、融解される組織の層は、約０〜５０μｍの範囲とすることができる。 より深い改造の場合、融解される組織は、約５０〜５００μｍの範囲とすることができる。 例えば、約７５０μｍまでというような更により深い改造も、幾つかの実施形態において実施することができる。

改造手順自身が、組織を、例えば脱塩等という結果となり得る、酸の攻撃をより受けやすい状態にしないように改造するのに必要である適当な（例えば、最適な）厚さを選択することが、特定の実施において重要であろう。 従って、適用される電磁エネルギーのパルス構造は、一実施形態により、あらかじめ注意深い考慮を与えられるべきである。 さらに、減感作、及び腐蝕抑制を含む応用例では、幾つか、或いは全てのパルス形状及び／又は大きさを、切断スレッショルド以下にとどめるように選択することができる。

一実施形態により、効果的な改造のために、流束量の設定は約０．１Ｊ／ｃｍ ² 〜約２５Ｊ／ｃｍ ²の範囲であるとすることができる。 他の実施形態では、流束量の設定は約０．１Ｊ／ｃｍ ² 〜約１０Ｊ／ｃｍ ²の範囲とすることができる。 さらに他の実施形態では、流束量の設定は、約０．１Ｊ／ｃｍ ² 〜約５Ｊ／ｃｍ ²の範囲とすることができる。 本実施形態の例では、約５０μｍ〜約１５００μｍのスポットサイズを用いることができる。

幾つかの実施では、より高い流束量の設定は、例えば歯のエナメルのような治療される組織の温度のより大きな増加という結果となり得ることを、理解すべきである。 例えば、組織の表面層下の温度上昇を減らすために、温度上昇を制御し、組織を冷却する手順を実施することができる。 特定の実施では、同時に任意の既知の手法、又は任意の他の組合せにより、例えば、温度の上昇を制御し組織を冷却する、及び／又は生体組織への有害な熱の伝達を防ぐために、流体（例えば水）及び／又は空気を利用することができる。 一般的には、特定の実施では、冷却空気を加えて温度上昇を制限することができ、さらにまた、或いはそのかわりに、空気／水のスプレーで加えることが、組織の温度を下げ、それにより例えば、生体組織への有害な熱の伝達を防ぐこともできる。 例えば、空気のみを使用して、約０〜１５Ｌ／ｍｉｎの速度で表面に向けることもできる。 そのかわりに、又は続いて、水と組合せた空気を使用することもでき、その空気は同じ速度で加えられる、及び／又はその水は約０〜６０ｍｌ／ｍｉｎの速度で加えられる。 一般的には、短パルスの配信において、一実施形態により、約０〜１０ｍｌ／ｍｉｎの水と組合せて、空気の付加の速度は約０〜７Ｌ／ｍｉｎの範囲とすることができる。 長パルスの配信において、空気の速度は約０〜１５Ｌ／ｍｉｎまで変化することができ、水の付加の速度は約０〜６０ｍｌ／ｍｉｎの範囲とすることができる。 幾つかの例では、水を多く加えすぎることは、組織へのレーザの効果を阻止することがある。 表２は、例えば、約１０秒の継続時間の間、エナメルから約２ｍｍの距離で、直径６００μｍの先端を持つ２．７８９ミクロンのＥｒ,Ｃｒ：ＹＳＧＧ固体状態レーザを用いる実施形態における冷却手法のように、空気、及び水を加えた効果を要約したものである。
表２

例えば虫歯を治療する（例えば削磨する）ため、又は減感作の目的のための装置、及び方法と例えば共同して、本出願で説明した改造手法を利用することができる。 そのような装置、及び方法の例は、２００４年８月１２日に出願された「事前設定を持つデュアルパルス幅医療用レーザ」という名称の米国仮特許出願第６０／６０１,４１５号で開示されており、その内容全体が引用により本出願に組み入れられる。

改造は、空洞準備の後で表面を改造するのに効果的であるとすることができる。 具体的には、組織を取り除いて、空洞を準備した後、最終切断表面に改造処理を適用することができる。 次に、合成修復を挿入することができる。 続いて、漏れが生じる場合には、その合成物と切断表面との間にギャップを形成することができ、細菌がそのギャップ内に侵入することができ、その後、修復物の下の改造された表面は、鉱物質消失、及び二次腐食の減少傾向を呈することができる。

更なる側面により、改造を実施して、齲蝕が発生しそうな領域における齲蝕の形成を防ぐこともできる。 例えば、組織を融解し、拡張することによって小さなギャップを埋めて、噛み合わせ表面上のくぼみ、及び欠損を改造することができる。 変更された実施形態では、改造の後、シーラントを加えることができる。 更なる実施により、頸部の歯の表面を改造して、虫歯の形成を減らすことができる。

虫歯の予防のための本発明の実施により、流束量の設定は約０Ｊ／ｃｍ ² 〜２５Ｊ／ｃｍ ²の範囲とすることができる。 幾つかの実施形態では、流束量の設定は約０Ｊ／ｃｍ ² 〜約１０Ｊ／ｃｍ ²の範囲とすることができる。 これらの実施形態では、約５０μｍ〜約１５００μｍのスポットサイズを用いることができる。

本発明の更なる側面は、イオンをターゲット表面に配信する方法を含むことができる。 図１２は、本発明のこの側面の実施を要約したフローチャートである。 選択された形式のイオンを含むことのできる粒子を、ステップ１１０において、ターゲット表面上に投射することができる。 例示の実施形態により、空気スプレー、流体スプレー、又は空気と例えば生体適合液（例えば水）のような流体との両方の組合せスプレーを使って、粒子（例えば、イオン又はイオン化合物）をターゲット表面上に投射して、粒子がターゲット表面に接着、又は付着（例えば、微小機械加工接着）することを可能にすることができる。 次に、本出願のステップ１１５において説明するように、表面を改造することができ、ここで、改造された組織層は、虫歯に対してより抵抗力があるとすることができる。 さらにそのプロセスは、二次象牙質の形成を誘導する、或いは、その表面を抗菌性を呈するようにさせることもできる。 本発明の更なる側面により、組織表面を様々なイオン化合物の薄層で覆い、次にレーザで改造するように、ターゲット組織表面の上に、ラミネーション層を加えることができる。 本方法の変更された実施では、同時に、組織を薄層で覆い、改造する。 湿った、又は乾燥した、のいずれかの環境を用いて、組織表面内にイオンの層を実装する。

例として、フッ化物、カルシウム、リン、及び水酸化物（ＯＨ）から成る系列からのイオンを選択することができ、それは、虫歯予防を高めることができる。 更なる例として、例えば、フッ化ナトリウム、フッ化スズ、フッ化銅、四フッ化チタン、フッ化アミン、水酸化カルシウム、ハイドロキシアパタイト、リン酸カルシウム等のようなイオンを含む化合物を選択することもできる。 これらの化合物のうちの幾つかは、柔らかい組織と適合性があるとすることができ、また幾つかは、象牙質、エナメル、又は骨のみと適合性があるとすることができる、ということに注意すべきである。 特に、フッ化イオンを持つ化合物は、抗腐蝕、及び減感作剤として効き目があるとすることができる。 一例により、フッ化物は、歯の組織を、例えば加熱及び冷却の影響に対して減感させるように作用することができる。 変更された実施形態では、例えばカルシウムを含む化合物は、抗菌表面を形成するのを助けることができる。 また更なる実施形態では、水酸化カルシウム、又は酸化亜鉛を用いることにより、影響を受けた象牙質の再鉱化を高めることができる。 水、又は、塩を含んで、無菌又は細菌の数の少ない他の生体適合性のある流体を通して、これらの化合物を配信することができる。

レーザビームを当てるのと同時に、イオン化合物を加えて、それにより、イオンの配置を実現し、同時に、表面組織を改造し、その改造された組織の層内にイオンを充満させることができる。 交替で、処置される領域に、初めに、例えば局所的なフッ化物準備のように、１又はそれ以上のイオン保持化合物でスプレーをかけ、次に、後続のレーザエネルギー付加が続く。

表３は、既知の文献から抜粋された、所望のフッ化物の濃度の例を要約している。 これらの濃度が、虫歯予防に効き目があると示されている。
表３

本発明の例示の実施形態を示し、説明したが、必ずしも本発明の技術的範囲から逸れることなく、当業者により、上のパラグラフに示されたものに加えて、多くの他の変更、修正、及び置換が成され得る。 例えば、歯、又は骨の治療において、本出願で開示した方法を使用することができる。 本出願で説明するように、骨形態形成蛋白質のような骨成長誘導物質を加えて、骨再生を促進させ、骨の欠陥を修復するのを助けることができる。 文脈、本明細書、及び当業者の知識より明らかなように、本出願で説明した如何なる特徴も、或いは特徴の如何なる組合せも、如何なるそのような組合せに含まれる特徴も相互に矛盾しないのであれば、本発明の技術的範囲内に含まれる。

従来技術による、フラッシュランプ駆動電流対時間のプロットである。

従来技術によるレーザシステムにおける、出力光エネルギー対時間のプロットである。

本発明によりフラッシュランプ駆動電流を生成するための回路を示す、概略的な回路図である。

本発明による、フラッシュランプ駆動電流対時間のプロットである。

本発明によるレーザシステムにおける、出力光エネルギー対時間のプロットである。

一連の短パルス、及び長パルスのプロットである。

図６に示す短パルスの拡大図である。

図６に示す長パルスの拡大図である。

図６に示す短パルスの更なる拡大図である。

図６に示す長パルスの更なる拡大図である。

本発明により組織を改造する方法の実施を説明する、部分フローチャートである。

本発明によりイオンをターゲット表面に配信する方法の実施を示す、部分フローチャートである。