光学結晶 – 医療用レーザの核であり、光を個人のクオリティオブライフ（QOL）を向上させる先進的な治療や診断のための精密なツールへと変えます。
結晶は現代の医療用レーザ技術を支えています。このような精密に設計された素材は、非侵襲的な美容施術から救命救助の外科的処置まで、多くの医療応用で活用されるレーザ光を発生させ、制御するために不可欠です。
結晶は、電気エネルギーを高度に集束された（非常に強い）レーザビームに変換します。これにより、体内の特定の組織、構造、または個々の細胞をターゲットとするよう正確に合わせることができます。
結晶レベルの精度と制御がなければ、医療用レーザは、現代のヘルスケアの姿を変えるような、精巧な手術を行うために必要なパワー、安定性、汎用性を得られなかったでしょう。
医療用レーザはさまざまな光学結晶を用いてレーザ光を発生させ、レーザの波長を修正します。このブログでは、さまざまな種類の結晶の詳細とメリットを考察することにフォーカスします。
ゲイン結晶と非線形結晶
ゲイン結晶 - 最も一般的に使用され、レーザの核として作用する結晶です。（ランプや半導体レーザのような）光源からのエネルギーを集束されたレーザビームに変換します。これらの結晶はレーザ光を増強または増幅させ、幅広いライフサイエンスの用途で十分に効果を発揮できるようにします。
結晶統合をハイライトするエクストラキャビティーUV DPSSLの例。
非線形結晶 - 2つ目の種類の結晶です。皮膚内の特定の構造をターゲットとする精密な皮膚科治療など、特定の波長の要件がある専門的な治療やテクニックに使用されます。これらの結晶はレーザビームをさらに変化させ、高調波発生プロセスで周波数を2倍または3倍にします。高調波変換結晶は、レーザの波長を元の（「基本」）波長の1/2（第2高調波発生：SFG）または1/3（第3高調波発生：THG）のいずれかに変えます。
ゲインおよび非線形高周波結晶は、現代の医療用レーザ技術の土台を成す要素です。
Nd:YAGゲイン結晶
ライフサイエンスのイノベーターは、Nd:YAGとNd:YVO4のレーザ結晶のパワーを利用し、最先端のメディカル治療で1064 nmの近赤外光を用いて、皮膚科学、眼科学、歯学の境界を押し広げています。
ネオジム添加結晶とファイバーは、多くのレーザで使用されます。約1064 nmの近赤外基本波長を発生させます。最も一般的な2つの結晶は、ホスト結晶がイットリウムアルミニウムガーネットであるNd:YAGと、ホスト結晶がイットリウムバナジン酸塩であるNd:YVO4です。医療用レーザ技術は、YAGとYVO4を重要な構成要素として使用します。YAGの固有の特性によって、高エネルギーパルスの発生が可能になります。YVO4は、高い繰返周波数率と高い平均パワー出力を促すことによって補助します。
これらのレーザは医学のどのような場で使用されますか？ 皮膚科と美容外科で、Nd:YAGレーザは、タトゥー除去、脱毛、色素性病変の治療、皮膚の若返りに使用されます。眼科で、Nd:YAGレーザは特定の眼科手術で使用され、白内障手術と緑内障の後の後嚢混濁など、さまざまな眼の状態を治療します。歯科で、これらのレーザは、虫歯の除去、歯茎の修復、歯科手術などの処置で使用されます。
SHG結晶 – KTP、LBO、BBO
Nd:YAGレーザによる基本波1064 nmは、SHG結晶を用いて、第2高調波のグリーン（532 nm）出力に変換される場合があります。いくつかの異なる非線形光学結晶をNd:YAGレーザのSHGに使用できます。これらは通常、やや扱いにくいフルネームではなく、3文字の頭字語を用いて表現されます。Nd:YAGの最も一般的な3つのSHG結晶、チタンリン酸カリウム（KTP）、三ホウ酸リチウム（LBO）、ベータバリウムホウ酸塩（BBO）は、Nd:YAGレーザの効率的な周波数2倍化を促す非線形光学特性に基づいて分類されます。
精密にカットされたKTP、LBO、BBO結晶は、効率的な第2高調波発生を可能にし、532 nmで近赤外のNd:YAGレーザ光を強力なグリーン出力に変換し、可視波長の適用を可能にします。KTP、LBO、BBO結晶（複屈折性を有する）は、基本周波数と2倍化周波数を十分に調整して、コンパクトで、精密に設計されたユニットで最適な変換を実現し、第2高調波の発生を強化します。
これらの非線形結晶はすべて複屈折と呼ばれる特性を示し、基本波と第2高調波の位相整合を効率的に実現します。これにより、基本波と第2高調波が同相で伝搬し、変換効率が最大化されます。
非線形結晶の選択は、レーザシステムの望ましい波長、変換効率、光学特性、損傷しきい値、その他の特定要件などのさまざまな要因次第となります。
グリーン（532 nm）Nd:YAGの適用
グリーン（532 nm）Nd:YAGレーザの適応性の高い性質は、多様な領域の医療応用における幅広い活用につながっています。皮膚科で、血管性病変の治療といった処置に使用されています。グリーンの波長が血管内のヘモグロビンによって吸収され、血管性病変、ポートワイン母斑、特定の種類の母斑を効果的にターゲットとし、治療します。
グリーン532 nm Nd:YAGレーザは、組織の色素によるコヒーレントなグリーン光の吸収を原動力とし、血管性病変の治療、タトゥー除去、強化されたイメージングのソリューションを提供します。
これらは眼科でも有用です。たとえば、特定の網膜状態の治療や眼科手術などです。美容医療で、グリーン光は、肌のトーンが薄い人や濃い髪色の人のレーザ脱毛に使用される場合があります。毛包内のメラニンによって吸収されるためです。特に緑、青、黒の色素など、タトゥー内のインク粒子を分解する有用なレーザ波長でもあります。グリーンのNd:YAGレーザは、光学と超音波イメージングを組み合わせる光音響イメージング技術に使用され、診断を目的とした組織の可視化を可能にする場合があることにも触れておくべきでしょう。
Er:YAGレーザ結晶
エルビウム添加ゲイン結晶に基づくレーザは、特にEr:YAG（エルビウム添加イットリウムアルミニウムガーネット）など、医学でも幅広く使用されています。このようなレーザは2940 nmで発光します。これは中赤外域にあり、水とハイドロキシアパタイト（歯と骨の構成要素）によって強く吸収されます。そのため、これらのレーザは、精密さや、周囲の組織への損傷が最小限であることが知られています。
Er:YAGレーザ結晶は2940 nmで発光し、歯科、皮膚科、眼科、外科において、容易に精密で侵襲性を有する介入を最小限にすることができます。
エルビウムレーザの医療応用として、複数の歯科処置が挙げられます。虫歯の除去では、ハイドロキシアパタイトによる選択的吸着によって、健康な歯組織の除去を最小限にすることができるため、窩洞形成に適しています。軟部組織への適用として、歯茎の修復、歯周病治療、歯肉彫刻などが挙げられます。エルビウムレーザは根管治療にも使用され、根管のクリーニングと消毒を行います。
皮膚科で、Er:YAGレーザは、皮膚の表層を除去し、コラーゲンのリモデリングと再生を促して、しわ、傷痕、肌の凸凹の治療に効果を発揮します。加齢による染みやそばかすなどの色素性病変をターゲットとし、除去するために使用される場合もあります。
ホルミウムを用いたレーザ
ホルミウム添加結晶を用いたレーザ、特にクロム、ツリウム、ホルミウム添加YAG（CTH:YAG）は、約2100 nmで発光するもう1つの重要な種類の医療用レーザです。これらのレーザは主に泌尿器科で使用されます。特に、砕石術と呼ばれる破砕プロセスによる尿路結石（腎臓結石、尿管結石、膀胱結石）の治療で使用されます。これにより、結石が小片に破砕され、尿路を自然に通過して排出されます。
ホルミウム添加のYAG結晶は、尿路結石を破砕し、前立腺組織を精密に除去し、内視鏡で胃腸の疾患に対処する医療用レーザを強化して、泌尿器科と消化器科の処置における合併症を最小限に抑えます。
ホルミウム結晶を用いたレーザは、前立腺肥大症（BPH）の治療にも多く使用されています。ここでの一般的な処置は、BPH治療のためのホルミウムレーザ前立腺核出術（HoLEP）です。出血を最小限に抑えながら、組織を正確に除去することができます。
ホルミウムレーザは、消化管内の内視鏡手術で使用される場合があります。主に狭窄、腫瘍、その他の異常に関わる治療などです。
Nd、Er、Ho添加ファイバー
素材の適合性は、業界がファイバーベースのレーザアーキテクチャへとシフトするなかで極めて重要です。メーカーは現在、レーザ結晶で従来から見られるものと同じレアアース（Nd、Er、Hoなど）を用いるゲインファイバーの生産に注力しています。適合性のある素材を用いれば、結晶とファイバー間の光学特性の最適な調整が保証され、レーザシステム全体の効率、出力の安定、パフォーマンスを最大化することができます。
Coherentのメリット
結晶は、レーザ光を発生させ、必要時に波長を変えることから、ライフサイエンスの診断と医療用レーザの最も重要な要素の1つであると言っても過言ではありません。そして、精密ながん手術のような領域で、これらのレーザがまさに生死を分ける可能性があります。そのため、適切な結晶と適切な結晶メーカーを選ぶことは極めて重要です。
Coherentは、医療用レーザで使用される、すべてのクラスのレーザ結晶を円筒形ロッドや菱形スラブのようなカスタムの形状とサイズで供給するほか、その他の多くの種類の光学結晶を提供するマーケットリーダーです。当社は、数十年に及ぶ実績と、世界の拠点における400を超える成長ステーションを有し、このような成功を支えるアドバンテージを強力に組み合わせています。
垂直統合。Coherentは世界で最も垂直統合型のフォトニック企業です。これらのレーザ結晶などの原材料から、完全なレーザや特殊レーザベースのマシンまで、すべてを製造しています。これにより、当社は品質管理とプロセス管理に重点を置くだけでなく、期日どおりの出荷スケジュールに対応するなど、光学部品のメーカー、そしてユーザーとして、ユニークな視点を持つことができます。
また、当社は驚くほど幅広い技術を有しています。つまり、特定領域のレーザ結晶で、当社は比類ないレーザ結晶の品揃えを実現しています。当社はこのような素材すべての相対的なメリットを十分に理解しています。お客様が医療用レーザを構築する際には、技術的な制約による偏りなく、お客様の用途に最適なソリューションをご案内することができます。
QA／計測。当社は数十年におよび、あらゆる形の営利的なプロセスで、結晶を成長させてきた実績を有しており、QAと計測の重要性を理解しています。結晶は簡単に成長させることができます。寿命の長いレーザ品質の結晶を成長させることは、簡単ではありません。独自の知識、品質重視、計測ツールの包括的な適用などにより、Coherentの結晶は、ライフサイエンス機器のパフォーマンスを高め、寿命を延ばします。
グローバルサプライチェーンの不確実性が増している今、当社はこれらすべての結晶を米国の複数の施設で生産するという実用面でのアドバンテージも有しています。
Coherentの結晶とCoherentの医療応用ソリューションについて、詳しくはこちらをご覧ください。
