Entwicklung eines neuen Pumpkonzeptes für ein miniaturisiertes, diodengepumptes Er:YSGG-Lasersystem für den zahnmedizinischen Einsatz

Franzen, René; Gutknecht, Norbert

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-7360

Entwicklung eines neuen Pumpkonzeptes für ein miniaturisiertes, diodengepumptes Er:YSGG-Lasersystem für den zahnmedizinischen Einsatz

Franzen, René (Author)

2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Rene Franzen

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2003

UmfangX, 117 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Gutknecht, Norbert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2003-12-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-7360
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59271/files/Franzen_Rene.pdf

Einrichtungen

Medizinische Fakultät (510000-1)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Medizin (frei) ; Laser (frei) ; Erbium (frei) ; Zahnheilkunde (frei) ; Laserzahnheilkunde (frei) ; Multireflexion (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Erbium-Festkörper-Lasersysteme gewannen in den letzten Jahren in der Medizin immer mehr an Bedeutung. Aufgrund der hohen Absorption ihrer Emissionswellenlängen 2,7-3 µm in Wasser und Hydroxylapatit eignen sich diese Laser für die Bearbeitung von Hart- und Weichgewebe. In der Zahnheilkunde finden Erbium-Laser ihr Indikationsspektrum in der Kavitätenpräparation, Chirugie, Parodontologie und in begrenztem Masse in der Endodontie. Alle kommerziellen Erbium-Lasersysteme sind bislang blitzlampengepumpt und besitzen daher nur einen geringen differentiellen Wirkungsgrad in der Größenordnung von 1%. Dies zieht hohe Wärmeverlustleistungen nach sich, die eine aufwändige Kühlung notwendig machen. Da zudem noch eine Hochspannungsversorgung für die Blitzlampe vorhanden sein muss, sind klinisch angewandte Erbium-Laser bisher nur als grosse Beistellgeräte erhältlich. Die Miniaturisierung eines Erbium:YSGG-Lasers (Erbium Yttrium Scandium Gallium Granat) wurde durch den Einsatz neuer Pumptechniken realisiert. Die vorliegende Arbeit stellt das neuartige Pumpkonzept des multi-reflektiven Pumpens vor, das es erstmals erlaubt, einen Erbiumlaserkopf soweit zu miniaturisieren, dass er in ein zahnärztliches Behandlungshandstück integriert werden kann. Dieses Pumpkonzept basiert auf der resonanten Anregung des oberen Laserniveaus des Erbium-Ions mittels infraroter Pumpstrahlung einer Wellenlänge von 970 nm, die von Laserdioden bereitgestellt wird. Die Verwendung von Laserdioden ermöglicht zudem den Verzicht auf eine Hochspannungsversorgung. Um den diodengepumpten Laserprozess zu beschreiben, wurde ein theoretisches Modell des Erbium-Ions entwickelt, und mathematisch in Form eines gekoppelten Differentialgleichungssystems, den Ratengleichungen, dargestellt. Das System wird numerisch gelöst und die Lösungsmethoden und Ergebnisse werden diskutiert. Das multi-reflektive Pumpkonzept wird vorgestellt und mittels eines Raytracing-Algorithmus optimiert. Verschiedene Labormuster des Laserkopfes wurden aufgebaut und Ihre Ausgangsenergien und differentielle Wirkungsgrade vermessen. Es konnten bei Pumpenergien von 125 mJ Pulsenergien von 5,5 mJ bei einem differentiellen Wirkungsgrad von 7,5% erreicht werden. Dieser Wert steigt auf 10,5%, wenn er bzgl. der theoretisch berechneten Pumpverluste korrigiert wird. Als Laserschwelle wurden Werte zwischen 1,5 und 2,25 mJ je mm^3 bestimmt. Es konnte erstmals demonstriert werden, dass die Konstruktion eines Laserkopfes in einer entsprechend kleinen Baugröße mit einem Durchmesser von 10,5 mm und einer Länge unter 3 cm inklusive Resonator und Flüssigkeitskühlung möglich ist.

Erbium solid-state laser systems have gained in importance in medicine over the last years. Because of the high absorption of their emission wavelengths of 2.7-3 µm in water and hydroxyapatit these lasers are very well suited for hard and soft tissue applications. In dentistry erbium lasers are used for cavity preparation, surgery, periodontics, and endodontics. All commercial available erbium lasers are flash-lamp pumped and and therefore feature only a low slope efficiency in the order of magnitude of 1%. This results in high heat losses which require the laser to be equipped with a sumptuous cooling. Since also a high voltage supply is neccessary for a flash-lamp pumped laser, clinically used erbium lasers are bulky supplementary devices. The miniaturization of an erbium:YSGG (erbium Yttrium Scandium Gallium Granat) was achieved using a newly developed pump technique. The presented thesis introduces the new pump concept of "multi-reflective pumping" which allows to integrate an erbium laser head into a dental handpiece for the very first time. This pump concept is based upon resonant excitation of the upper laser level of the erbium ion with infrared pump radiation of a wavelength of 970 nm. The pump radiation is delivered by pump laser diodes. The usage of these diodes also allows to build such an erbium laser without a high voltage supply. To describe the diode pumped laser process a theoretical model of the erbium ion was developed and mathematically described as a coupled system of differential rate equations. This system of equations is solved numerically and the used solving approaches and the results are discussed. The multi-reflective pumping concept is explained and optimized with a raytracing algorithm. Different experimental setups were assembled and tested for their output energies and their slope efficiencies. Output energies of 5,5 mJ were achieved with a pump energy of 125 mJ yielding a slope efficiency of 7.5%. This value increases to 10.5% when the theoretical pump losses are included. For the laser threshold values between 1.5 and 2.25 mJ per mm^3 were observed. For the first time is has been demonstrated that it is possible to build a miniaturized erbium laser head of a diameter of 10.5 mm and a length below 3 cm including resonator and cooling circuit.

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