CN100531690C - 用于利用激光辐射进行材料加工的激光器及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于材料加工的激光器，其具有产生脉冲激光辐射(3)的激光束源(S)，以及可变的偏转装置(17)，该偏转装置将激光辐射(3)引导到材料(1)内的不同可选位置，以产生光学穿透，该激光器设置有脉冲选择装置(15)，脉冲激光辐射(3)的被选择的激光脉冲至少有一个光学参数发生改变，以使得改变后的激光脉冲不会产生光学穿透。

Description

用于利用激光辐射进行材料加工的激光器及方法

本发明涉及一种用于材料加工的激光器，其具有产生脉冲激光辐射的激光束源和可变的偏转装置，该偏转装置将激光辐射引导到材料内的不同可选位置以发生光学穿透。本发明还涉及一种使用激光辐射进行材料加工的方法，其中产生脉冲激光辐射并以可变的方式将其偏转到材料中以形成光学穿透。

用于材料加工的激光器以及基于其的方法尤其适于在透明材料中构造弯曲剖面。位于透明材料内的弯曲剖面在例如激光外科手术，尤其是眼科手术中产生。因此，加工激光辐射在该组织中，也即在该组织上表面的下方聚焦，以在该组织中产生光学穿透。

在该组织中，由激光辐射引起的若干过程依照时间顺序发生。如果辐射的功率密度超过一定阈值，那么就形成了在材料中产生等离子气泡的光学穿透。所述等离子气泡在光学穿透产生后由于膨胀的气体而增加。接着，在等离子气泡中产生的气体由周围的材料吸收，并且气泡消失。但是，同气泡的产生相比，这一过程持续得非常长。如果等离子在也肯定可以在位于材料结构内部的材料界面上产生，那么材料就会被从该界面处移除。这就涉及到光解切除。对于将预先连接的材料层分开的等离子气泡，通常被称作光解破坏(photodisruption)。为简单起见，所有这样的过程都被概括为是光学穿透，也就是说，这一术语不仅包括光学穿透本身，而且也包括由其在材料中导致的效果。

为实现激光外科手术的高精度，必要的是，确保激光束的高定位性能，并尽可能地避免在相邻组织中的伴随损伤。因此，在现有技术中普遍的是，采用脉冲式的激光辐射，以使得仅仅在个别脉冲内才会超过引起光学穿透所必需的功率密度阈值。对此，美国专利US5984916最清楚地示出了光学穿透的空间范围(在此是指所产生的相互作用)很严重地依赖于脉冲的持续时间。激光辐射的高聚焦与其很短的脉冲相组合，从而实现了在材料中位置非常精确地产生光学穿透。

脉冲激光辐射的使用在近年来成为了眼科学中激光外科手术校正缺陷视力的成熟手段。眼睛的缺陷视力通常是由于角膜和晶状体的屈光特性不能在视网膜上实现最优的对焦引起的。

所述美国专利US5984916以及US6110166公开了借助于适当产生的光学穿透的切割方法，以使得角膜的屈光特性最终有选择地受到影响。多个光学穿透一个接一个的设置，以便在眼角膜内隔开一块晶状体形状的部分容积。这一与其它角膜组织分开的晶状体形状的部分容积然后通过侧面开口从角膜中取出。部分容积的形状被选择成使得在取出该形状并由此改变角膜的屈光特性后，实现所期望的缺陷视力校正。所需的剖面是弯曲的，这就要求必须对焦点进行三维的调节。因此，激光辐射的二维偏转就与同时在第三维空间方向上所进行的焦点调节相组合。这在下文中称作“偏转”。

在通过串联材料中的光学穿透而实现切割时，该光学穿透的产生以一种较其持续时间快很多倍的方式进行，直到由其产生的等离子再次被该组织吸收。在Der Ophthalmologe(眼科学)，2002，98：623-628中A.Heisterkamp等人的文章中公开了，在眼角膜中产生光学穿透之后，在产生光学穿透的焦点处等离子气泡膨胀，该等离子气泡在几个ns后达到最大尺寸并随后再几乎完全湮灭。然后，仅有小的残余气泡留下来。该文章指出，膨胀中的等离子气泡的串联降低了切割质量。因此，建议一种方法，其中个别等离子气泡并不直接彼此相邻产生。替代的是，在螺旋形的轨迹中，在逐次产生的光学穿透之间留有间隙，该间隙在第二轮中被具有光学穿透的螺旋形和由其产生的等离子气泡填充。

然而，通常需要的是，连续的两个等离子气泡的距离被尽可能精确地控制在轨迹曲线上。在激光脉冲的恒定的重复频率下，理论上，这可以通过对轨迹速度也即偏转速度的适应来实现。在螺旋形的情况下，这意味着，激光束经过内螺旋轨迹的速度要基本上快于外螺旋轨迹(即，具有更高的角频率)。只要所采用的各个扫描系统的最大偏转频率允许了一个合适的轨道速度，那么这就是一种适当的方法。对于偏转频率f_s，用于实现激光束的横向偏转的扫描器满足简单的关系：f_s＝(f_L*s)/(2π*r)。因此，f_L是脉冲激光束中的脉冲重复频率，s是沿着轨道曲线测得的两个在至少是部分地接近于半径为r的圆形的轨道曲线上一个接着一个地产生的等离子气泡之间的几何距离。如果在对最大偏转频率进行估计时使用通常的电流计扫描器，该电流计扫描器可以在非共振方式下以良好的精度跟随控制信号一直到约300Hz，那么对于s＝10μm和r＝20μm，就得出约4kHz的最大脉冲频率。由于在偏转角度方面的限制，甚至也还可以实际上采用更高的脉冲频率。然而这样位置误差就会增加，这为该方法造成了实际上的限制。这种考虑表明，对于现有的通常扫描系统而言，必要的是，将激光辐射的脉冲频率限制为最大10kHz，以实现所期望的螺旋轨道。

作为另外的设置，在理论上可以考虑，使激光辐射的脉冲频率可变，然而，对于这种方法，在使用具有被动模式同步振荡器的激光系统时，有特定的限制。现有的通常的fs激光系统用于医药领域，因此仅有具有固定脉冲频率的激光辐射。这导致一种固定脉冲频率在几个kHz范围内的技术方案。因此，在形成切割面时的加工速度适应于最需要实现偏转的轨道的范围。

尽可能快的形成切割面不仅是为了方便或是出于节省时间的考虑，出于更深层次的考虑，即考虑到在眼科手术中眼睛不可避免的运动，因而快速地形成切割面也是出于对所获得的结果的光学质量的需求，以及降低对在万一情况下对眼睛运动的跟随的需求。

因此，本发明的目的在于，实现一种上述的方法及装置，其中，形成切割面需要尽可能短的时间。

根据本发明在前面所述的方法实现了上述目的，其中，所选择的脉冲激光辐射的激光脉冲在光学参数方面改变，以使得所改变的激光脉冲不再产生光学穿透。根据本发明，利用在前面所述的装置，进一步实现了上述目的，该装置包括脉冲选择装置，其所选择的该脉冲激光辐射的激光脉冲在至少一个光学参数方面发生改变，以使得使用这些改变了的激光脉冲不会产生光学穿透。

因此，在原理上适于加工由该激光系统的末端放大级发射出的激光辐射的脉冲频率是恒定的并借助于适当的装置在激光脉冲的作用下在物理上依次发生改变，以使得所产生的激光脉冲仅有部分还在组织中发生光学穿透。因此，发射激光脉冲的激光束源在重复频率方面与现有技术不同，不再以对偏转的最大需求(例如，相继光学穿透之间的最大距离)在轨道曲线的范围内进行优化，而是可以被选择得非常高。例如，可能的是，在脉冲频率方面调节激光束源以适应对偏转的最小需求(例如，小的空间距离，优选的是时间距离，一个接一个地产生的光学穿透)。通过对激光脉冲的选择，激光脉冲的在光学穿透方面起作用的重复频率，即每个能够导致光学穿透的脉冲的脉冲频率，可以被逐级选择地衰减，这使得对偏转系统的限制不再起作用。然而，通过对激光脉冲的选择的这种衰减并未妨碍激光束源的调节和设计，因而有关具有可变脉冲频率的激光的上述问题不会发生。

本发明可以实现对于待改变的激光脉冲的选择和激光束偏转的相互调节，以使得总是可以有利地尽可能接近最大偏转速度地实现。由此实现了一种快速切割工具，而不必对激光系统进行改动。为所述调节，基本上必要的是，对待改动的激光脉冲的选择是可以选择的。

特别的是，利用根据本发明的装置，在从最终放大器离开的激光辐射的恒定脉冲频率的可变分布是可能的。这样，最终仅由离开激光放大器的每n个激光脉冲引起组织内的光学穿透；因此，例如，每两个、或者每三个，以此类推。当然，该分布可以被实现为可变的。

为此，以高脉冲频率离开最终激光放大器的脉冲分量会由根据本发明的激光器的脉冲选择装置选择并适当地影响。适当的影响的意思是，每个被选择的激光脉冲的至少一个物理参数会被改变成使得它不会再产生光学穿透；相反的是，其余(未被选择的)激光脉冲还会导致在焦点处的光学穿透。因此，就它们在材料中的作用方面而言，所选择的激光脉冲是“无害的”。

作为可以根据本发明受到影响的物理参数，相位、振幅、极化方向、光束方向(瞄准矢量)或者光束截面(光束轮廓)的场分布是适当的。特别的是，也能在频率空间(在频谱图中)控制这些参数，因为这在改变超短脉冲时更容易实现。确定的是，由于所选择的激光脉冲的影响，就不必再超出在材料中产生光学穿透所必须超出的功率密度的阈值。这会直接实现或利用设置在激光束源后的光学系统或特定部件间接地通过所影响的脉冲的随后的相互作用实现。

脉冲激光辐射会产生确定的脉冲频率，然后如果其已经离开了该激光系统(振荡器和/或放大器)则相对于所选择的激光脉冲还发生改变。这避免了脉冲激光辐射对于质量、功率稳定性等的不利影响，并且不必采用对激光放大器的复杂控制。

另外，根据本发明的方法优选地利用加工激光束和材料之间的非线性相互作用的阈值依赖性，因为，并不必一定要屏蔽所选择的激光脉冲并因此，不会将该激光脉冲用于加工，而是已经足以改变所选择的激光脉冲，以便不会在材料中的实现加工作用。

所选择的激光脉冲的影响或改变可以通过不同的物理原理实现。它们的共同之处在于，所选择脉冲的光学特征这样变化，以使得其或者根本不再达到待加工材料，或者至少在该处不能再发生光学穿透。为产生改变，例如，可以利用声光调制、依赖于极性的反射、光导纤维开关或周期性吸收的原理，例如借助于调制盘。

根据本发明的用于材料加工的激光器或者根据本发明的用于材料加工的方法借助于激光束实现切割面的形成，同现有技术下的情形相比，该装置和方法更好地利用了可用的偏转速度。在偏转速度和脉冲选择彼此同步作用的情形下，例如相应的控制装置的作用下，实现接近最大的利用。如果偏转接近于最大偏转速度，就可以增加不会产生光学穿透的选择，即选择更多的不会产生光学穿透的脉冲。通过增加选择，在给定的时间单位内会有更少的能够产生光学穿透的脉冲到达偏转装置。这样就可以以较低的偏转速度进行工作。对于偏转和选择的同步控制考虑到了这一点。

下面将参考附图以示例的方式进一步详述本发明。在附图中：

图1在使用激光手术仪器进行手术时患者的透视图，

图2光束利用图1所示仪器在患者眼部的聚焦，

图3用于说明在使用激光手术仪器进行手术时由图1所示仪器产生的切割面的示意图，

图4图1所示激光手术仪器的偏转装置，

图5图1所示仪器的框图，

图6图1所示仪器的激光脉冲调制器的一个变化实施例的原理图，

图7激光脉冲和图6所示激光脉冲调制器的电子控制信号的时间线。

在图1中示出了用于对患者眼睛1进行手术的激光手术仪器，其中，激光手术仪器2用于实现屈光校正。为此，该仪器2发出手术激光束3到患者的眼睛1上，该患者的头部固定于一个头部保持器4中。该激光手术仪器2能够产生脉冲激光3，以便可以实现在US6,110，166中描述的方法。该激光束3由脉冲频率为10到500kHz之间的fs激光脉冲组成。在实施例中，该仪器2的部件由集成的控制单元控制。

如图2所示意性地示出的是，激光手术仪器2包括激光束源S，该激光束源的辐射聚焦在眼睛1的角膜5内。借助于激光手术仪器2，患者眼睛1的缺陷视力可以通过下述方式得到弥补，即，将材料从角膜5中取出，以使得角膜的屈光特性以一种期望的方式改变。这时，该材料是从角膜的位于上皮层和Bowman层以下且在Decemet层和内皮层以上的基质中移除的。

借助于可调透镜组，在角膜内通过高能脉冲激光束3在位于角膜5内的焦点7处的聚焦使组织层分离，从而实现材料的移除。因此，脉冲激光辐射3的每个脉冲在组织中产生光学穿透，这接着就引起等离子气泡8。因此，组织层的分离包括一个较激光辐射3的焦点7更大的区域，尽管仅在焦点7才达到了光学穿透的条件。这样，利用激光束3的适当偏转，在手术中会产生很多等离子气泡8。这些等离子气泡就构成了切割表面9，该切割表面包括基质的一部分T，也即角膜5的待移除材料。

激光手术仪器2通过激光辐射3起作用，就象手术刀一样，但不会损坏角膜5的上表面，直接在角膜5内分离出材料层。如果通过进一步产生等离子气泡8一直到角膜上表面而形成了切口16，就可以将角膜5的通过该切割面9分隔出来的材料沿箭头17所示方向从侧面拉出并移除。

在图3中示意性地示出了切割面9借助于激光手术仪器2的产生。通过由于脉冲聚焦的激光束3的焦点7的连续移动而产生的一系列等离子气泡8，构成了切割面9。

焦点移动通过在一个实施例中以如图4所示的偏转单元10实现，该偏转单元使沿主入射轴线H入射到眼睛1上的激光束3绕两个相互垂直的轴线偏转。为此，偏转单元10具有线反射镜11以及成像镜12，它们沿两个前后排列的空间偏转轴线设置。主光轴H与偏转轴线的交叉点就是相应的偏转点。为了实现焦点移动，另一方面，适当地设置有透镜组。由此，可以将焦点7在图4所示意地示出的x/y/z坐标系统中沿着三条正交轴线调节。偏转单元10在x/y平面上调节焦点，其中线反射镜可以在x方向上调节焦点，而成像镜则可以在y方向上调节焦点。相反的是，透镜组在焦点7的z坐标上起作用，以使得在总体上实现焦点7的三维偏转。

由于角膜在7到10mm之间的曲率，因此该部分容积T也要相应地弯曲。角膜曲率因而要求成像区曲率。这通过对偏转单元10和透镜组的适当控制而实现。

图5示出了一种用于人眼1的屈光手术的激光手术仪器2的简化框图。其中只示出了最重要的细节：作为激光束源S的fs激光器，其由fs振荡器V以及一个或多个放大级13组成，并随后设置有压缩器或解压缩器14；激光脉冲调制器，该激光脉冲调制器出射来自激光器S的激光辐射；偏转单元10，在此实施为扫描器；实现为透镜组的物镜，用于在待加工组织内聚焦；以及控制单元17。

激光器S产生持续时间为fs(飞秒)量级的激光脉冲。然后，激光脉冲到达激光脉冲调制器，该激光脉冲调制器(以将说明的方式)选择出不会导致在组织中产生光学穿透的激光脉冲。接着，至少是未选择的激光脉冲到达扫描器10并穿过物镜6进入患者眼睛1。该激光脉冲在该处聚焦并在焦点7处发生光学穿透。尽管所选择的激光脉冲可以同样地到达扫描器10，并进一步到达物镜6和进入眼睛1内，但它们在至少一个物理参数上与其它激光脉冲不同，以使其不会在眼睛1内引起光学穿透。

在激光脉冲调制器的位置上，有多种可能性。优选的是，该激光脉冲调制器直接地设置在最后的放大级13之后，也就是设置成还在压缩器/预压缩器14之前。这样，它就也可以一体地构成到激光器S的结构空间内，然而总是位于放大器和振荡器之后。如果使用腔倒空式振荡器，那么激光脉冲调制器就总是位于共振腔的内部。

在图6中示出了激光脉冲调制器的一个变化实施例。所产生的激光束3会首先借助于透镜21和22形成并随后被导引到声光调制器23(AOM)中。透镜21和22例如是用于形成激光束的适当光学结构部件(例如，面镜、透镜、DOE)。

AOM 23由来自控制单元(未示出)的电子控制信号以下述方式控制，即使得不会产生光学穿透的激光脉冲被选择。选择的步骤在所示情形下包括该激光脉冲在AOM 23中的衍射，以及其它激光脉冲的非衍射透射。

衍射激光脉冲被光阱24吸收，或者至少不再能引起光学穿透。该光阱24就可以被省略。由衍射引起的所选择激光脉冲的方向改变与在此实施的变化例的激光脉冲调制器的振幅调制的叠加的作用在于，这样限制所选择激光脉冲的脉冲峰值功率，以使得该激光脉冲即使在眼睛1内聚焦后也不再引起光学穿透。其余的激光脉冲基本上保持不变并在眼睛1内引起光学穿透。

根据本发明的装置的一个相反的实施例当然同样是可能的，在该实施例中，所选择的激光脉冲以非衍射方式穿过AOM 23，并且其余的激光脉冲被适当地衍射。

在这一变化例中有利的是，不会引起光学穿透的所选择激光脉冲同样发生一些可能降低其对材料加工的适用性的改变。这些改变基本上与超短激光脉冲的高频谱带宽有关，并通常可以以有限成本得到补偿。

替代所述AOM 23，也可以采用电光调制器(EOM)、袖珍电池、液晶元件(LC元件)、光导纤维开关元件和调制盘作为调制器，它们各自由部件辅助，所述部件以减少在焦点产生的光学穿透的方式实现所选择激光脉冲的主要的改变了的光学特性的转换。

而且，为了选择，例如，在时间上对激光脉冲的延长通过散射实现，这种效应是通过例如所选择的激光脉冲借助于适当的转换(例如通过采用有赖于极化方向的反射)而得到的极化方向旋转来实现的。快速的极化方向旋转可以用袖珍电池实现。

导致不充分聚焦并从而导致没有光学穿透发生的所选择的激光脉冲的波阵面的改变当然同样是可能的。所选择的激光脉冲被这样解除聚焦，以使得峰值能量不再达到最初的光学穿透。这种波阵面改变能够例如通过液晶元件或通过镀膜镜实现，正如在自适应光学中所知的那样。

控制单元18提供了对激光脉冲选择的控制。在图7中以示例的方式给出了适当的控制信号A。图中还示出了，以恒定脉冲频率从最后的激光放大器发射出的激光脉冲P的激光脉冲强度是如何被调制，以便从而实现所期望的选择。具有降低的脉冲强度的所选择的激光脉冲SP使得在材料中没有等离子产生并且由此降低了加工激光脉冲AP的有效脉冲频率。在采用AOM的情形下，所示控制信号A表示驱动所述AOM的高频电子信号的包络线。

所述的概念有利地可为激光材料加工的情形而设置，尤其是采用频谱宽带激光脉冲的微材料加工。因为，在采用频谱宽带激光脉冲的情形下，在很多情况下会在材料中会产生下述作用，即由于高光子密度而引起材料与加工激光束之间的非线性相互作用，进一步引发在材料中所希望的改变的作用。该非线性相互作用尤其容易被防止，因为其具有较强的阈值特性，也就是说，刚好设置在辐射功率密度的阈值上方。

通过激光束参数的改变，可以为每个脉冲实际选择加工效果。所建议的装置也可在对非器官的材料的加工中采用，例如，由透明材料生产一种波导结构。然而，也能够有利地实现与微机械部件有关的应用。

Claims (11)

1.一种用于通过脉冲激光辐射和材料之间的非线性相互作用进行材料加工的激光器，所述激光器包括：

产生所述脉冲激光辐射(3)的激光束源(S)，以及

可变的偏转装置(10)和物镜(6)，所述可变的偏转装置(10)和物镜(6)将所述激光辐射(3)聚焦在材料(5)中的不同可选位置处的焦点，以产生光学穿透，

由所述激光束源(S)产生的脉冲激光辐射(3)使得对于所述材料导致在焦点中的功率密度超过预定阈值，在该阈值之上，在所述材料中形成光学穿透，其特征在于，

脉冲选择装置(15)，其选择所产生的脉冲激光辐射(3)中的一些激光脉冲(SP)作为选择的激光脉冲(SP)，并在至少一个光学参数上使它们改变，以使得对于所述选择的激光脉冲(SP)，焦点中的功率密度不超出阈值，并且因此所述选择的激光脉冲(SP)不会产生光学穿透。

2.根据权利要求1的激光器，其特征在于，脉冲选择装置(15)改变非顺序的激光脉冲，它们依照选择频率在时间上是等距的。

3.根据上述权利要求中任何一项所述的激光器，其特征在于，脉冲选择装置(15)至少在一个下述参数上改变激光脉冲：相位、振幅、极化方向、传播方向或光束轮廓。

4.根据权利要求1或2所述的激光器，其特征在于，脉冲选择装置(15)包括声光调制器(23)、袖珍电池、光导纤维开关元件和/或调制盘。

5.根据权利要求1或2所述的激光器，其特征在于控制装置(18)，该控制装置同步地控制脉冲选择装置(15)和偏转装置(10)。

6.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，为了产生沿预定轨道的光学穿透，控制装置(18)控制脉冲选择装置(15)和偏转装置(10)，并且，当其中偏转装置(10)的实际偏转速度接近于最大偏转速度时，提高选择频率并由此降低该实际偏转速度。

7.一种通过脉冲激光辐射与材料之间的非线性相互作用进行材料加工的方法，其中产生脉冲激光辐射并将其聚焦在焦点中，并且为在材料中产生光学穿透而以可变的方式对其进行偏转，产生所述脉冲激光辐射，使得对于所述材料导致在焦点中的功率密度超过预定阈值，在该阈值之上，在所述材料中形成光学穿透，其特征在于，所产生的脉冲激光辐射中的一些激光脉冲被选择作为选择的激光脉冲(SP)，并且在光学参数上发生改变，以使得对于所述选择的激光脉冲(SP)，焦点中的功率密度不超出阈值，并且因此所述选择的激光脉冲不再会产生光学穿透。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于，根据选择频率改变非顺序的、在时间上等距的激光脉冲。

9.根据权利要求7或8的方法，其特征在于，激光脉冲至少在下述参数中的一个上发生改变：相位、振幅、极化方向、传播方向或光束轮廓。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，激光辐射的偏转和所选择的激光脉冲的变化同步进行。

11.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，激光辐射的偏转和激光辐射的选择导致产生在材料(5)中沿预定轨道的光学穿透，其中，当其中偏转的实际偏转速度接近于最大偏转速度时，提高选择频率并由此降低该实际偏转速度。

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