CN101132880B - 利用红外波长范围中的脉冲热沉积进行激光选择性切割用于直接驱动烧蚀 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光加工材料的方法，具体而言是一种在医疗和牙科应用中特别重要的用于去除材料的激光引发的烧蚀过程，在医疗和牙科应用中，应当以如此方式进行激光去除材料，以便不损伤任何周围的软生物材料或硬生物材料。该烧蚀过程是通过脉冲热沉积(IHD)实现的，方式是以如此方式直接和特定地激发材料的短暂振动或声子，从而不通过多光子吸收产生高活性和破坏性离子。在用于激光照射的预定时间和波长条件下的热沉积和随后的烧蚀过程实现得比通过否则会导致与过量热相关的损伤的声或热膨胀或热扩散将热转移到周围组织更快。结果，所有沉积的激光能量都最佳地被引导到烧蚀过程中，其中，源自光机械膨胀力和热驱动相变二者的惯性约束的应力与相关的体积变化相长干涉来驱动尽可能最有效的烧蚀过程，该烧蚀过程具有最小的由电离辐射或热效应导致的对周围区域的损伤。通过选择特定范围的波长，对红外激光脉冲进行空域和时域整形，可以以如此方式最佳地沉积能量，以进一步地就最小化附带损伤而言提高烧蚀过程的效率。

Description

利用红外波长范围中的脉冲热沉积进行激光选择性切割用于直接驱动烧蚀
与相关美国专利申请的交叉引用 
本专利申请涉及到2004年12月30日以英文提交的题为“LASERSELECTIVE  CUTTING BY WAVELENGTH AND TEMPORALTUNING IR PULSES TO PROVIDE MOLECULAR LEVELOPTIMIZATION OF IMPULSIVE HEAT DEPOSITION PROFILESFOR ABLATION”的美国临时专利申请No.60/640,092。 
技术领域
本发明涉及一种利用脉冲激光去除材料的方法。通过直接激励目标材料的机械自由度(mechanical degrees of freedom)(短期存活的振动或光子)而实现的脉冲热沉积(impulsive heat deposition，IHD)提供了一种对周围材料造成最小损伤的新的烧蚀工艺。在医疗和牙科应用中，优选用激光去除材料而不损伤任何周围的软的或硬的生物材料，因此这种低附带损伤尤其有利。 
背景技术
理想的手术工具应当尽可能是非入侵性的，制造最小的切口并除去可能的最少量的材料。自从发明了激光器，人们就设想过使用基于激光的手术刀，它能够以亚微米的精度去除或切除组织。不过，迄今为止激光手术方法的问题在于对周围组织的有害附带损伤(collateral damage)，这对广泛使用激光来取代机械手术工具起到了限制。 
材料烧蚀要求激光器向材料提供的能量能够使被照射体积的材料获得足够的平动能量从而将其去除。已经采用了若干种机制，包括“相位爆炸(phase explosion)”[1，2]和光机械崩落(photomechanical spallation)[1，3，4]。对于光机械崩落而言，所沉积的能量一定不能超过汽化阈值，而且必须要充分快速地沉积，使得突然热膨胀导致的冲击波引发机械破碎和材料弹射。不过，光机械崩落法是公知的效率低下，曾经发现“……对于大部分组织来说，通过激光诱发的崩落机制无法实现用IR激光脉冲去除材料”。[1] 
对于“相位爆炸”而言，必须要沉积足够大的能量使被照射体积过度受热而超过材料的汽化温度，从而导致均相成核(homogeneousnucleation)和材料的弹射。向材料供热越快，烧蚀过程就越快，由热传导到周围材料损失的能量越少。于是，附带损伤程度强烈取决于激光脉冲宽度[1，5]。对于长的激光脉冲(这里定义为大于10ns)，存在显著的到周围材料的热传导。对于生物材料而言，温度变得如此热，以至于材料实际上燃烧起来。后一种过程不仅损伤了周围组织而且实际上阻碍了愈合。 
在图1中示出了该戏剧性效果，其中，将来自常规激光器的长脉冲与切割骨头的短脉冲烧蚀机制进行了比较，如以下将要讨论的。水冷与长激光脉冲相结合能够通过排除燃烧所需的氧气而有助于防止碳化(charring)效应。不过，材料必须还要变得足够热以在照射体积中形成烧蚀，积聚在周围材料中导致组织损伤的过量热是相同的。该量级的过量热严重危害了相邻的组织，于是妨碍了在医疗手术中广泛地使用常规长脉冲激光。 
还要注意，用于热沉积的时间尺度取决于被吸收的激光能量(光子)转变为热所花的时间和入射光的脉冲持续时间。点阵加热速率(lattice heating rate)为这两种效应的卷积。入射的激光能量转变为热所花的时间越长，热扩散和热膨胀就具有越长的时间将能量转移到周围材料，且增大了附带损伤。对于短激光脉冲而言，有可能比烧蚀过程快得多地沉积激光能量，不过实现这点与如下所述的其他有害效应纠缠在一起。 
烧蚀的阈值强烈取决于每单位体积沉积的能量。对于给定量的激光能量而言，吸收光的材料的量越小，在被照射区中点阵的温度升得越高，可被传输到相邻材料导致热诱发损伤的总热量就更少。换言之， 光穿透深度越小，达到烧蚀的特定温度所需的能量越少，转移到材料的总热量越少。最小化激光切割中附带损伤的目的在于最大化每单位体积或质量吸收的能量或烧蚀效率。 
为了确保短的吸收深度，可以使用准分子(UV)激光器，因为所有的材料都强烈吸收UV到VUV波长范围的光(这里界定为微米到亚微米吸收深度)。不过，该波长范围会导致UV光化学过程(photochemistry)导致的辐射损伤和材料的电离。这种光化学过程是许多应用中不希望出现的，在大多数医疗和牙科应用中是尤其严重的问题，在这些应用中必须要避免电离效应和附带的光化学过程，以便促进痊愈。 
使用紫外激光器的替代方案是使用飞秒(fs)激光脉冲。利用足够短的脉冲，能够获得足够高的峰值功率以驱动多光子吸收过程，该过程即使在材料标称为透明的波长处也导致激光焦点体积中的强吸收。不过，必须将峰值功率提高到使材料的构成原子或分子电离的水平。释放出的电子在所有波长吸收光并通过被称为雪崩电离的过程迅速将该能量转变成热[6，7]。在足够高的浓度，电子和父离子形成等离子体，其可以进一步增强吸收并进一步使热沉积局域化(localize)。在该短脉冲的限制下，仍然有迅速的热沉积。不过，该过程产生了高活性的半成品。对于诸如金属的固态材料，该电离过程没有效果，因为离子很快就被释放。对于生物材料而言，离子的存在产生了与高度离子化的x射线辐射一样的效果。即使由于飞秒期间的短脉冲限制没有导致过热，离子形成的效果也导致损伤，这妨碍了痊愈，对于大多数医学应用来说是无法接受的。 
该问题已经在活体动物的控制研究中被认识到，其中，人们发现即使飞秒激光脉冲不通过过度加热进行切割，也没有引起愈合过程。对相邻细胞有足够的损伤以杀死它们，但是不足以触发正常的愈合机制。必须要使用信令蛋白质来诱发愈合。注意，来自多光子吸收的电离辐射效应在其他非生物材料中也可能是重要的。对于诸如半导体、绝缘体、摧化剂等的敏感材料，离子感生的化学过程还会导致非常不希望的材料性质的变化，例如产生表面态/缺陷。该效应再次成为任 何种类的医学或牙科应用中最不希望的。对于牙科应用而言，高度活性离子的形成将具有如下可能：从汞齐充填料的烧蚀形成剧毒的有机汞化合物。 
另一种备选方案是调谐激光波长以使能量局域化最大化，变成短暂存在的激发态，例如中红外(中IR)波长范围中的振动瞬变(vibrational transitions)。在生物学和大多数其他材料中可以发现吸收强烈的振动模式，其具有微米到亚微米的吸收深度。通过以这些短期存在的激发态为目标，可以迅速地将热能转移到小照射区，而没有离子产生和光化学过程的有害效应。不过，在选择脉冲持续时间和能量时必须小心，以实现高效而无附带损伤的烧蚀。 
发明内容
本发明提供了一种用激光加工材料的方法，该方法基于对烧蚀过程和振动能能量转换为热的动力学的新的理解。这里披露的本发明提供了一种新方法，其中能够以最少的由离子形成或热累积造成的附带损伤有效实现材料烧蚀。这是通过脉冲热沉积(IHD)实现的，脉冲热沉积是一种组合了热驱动和光化学驱动烧蚀机制二者的新方法，其中大部分吸收能量保留在被烧蚀材料中。激光能量被有效地直接耦合到导致烧蚀的机械自由度，这样一来就以最佳效率执行了该任务，这对于将附带损伤降到最低是关键的。 
在本发明的一个方面中，提供了一种用激光加工材料的方法，包括如下步骤： 
用脉冲激光束照射材料的一体积，其中所述激光脉冲具有： 
i)足够大的能量，使得在激光照射体积中吸收的光产生超过所述激光照射体积中含有的材料的至少一种成分的汽化点的过热温度， 
ii)满足脉冲热沉积要求的脉冲持续时间和波长，使得所述脉冲持续时间短于从所述激光照射体积向外热扩散所需的时间且短于所述激光照射体积的热驱动的膨胀所需的时间，以及 
iii)所述脉冲持续时间足够长且所述脉冲能量足够低，使得所述激光脉冲的峰值强度低于在所述材料中发生电离的阈值， 
从而所述激光脉冲中所含的大部分能量将被转变为所述激光照射体积中材料的烧蚀，任何残余能量不足以显著损伤所述激光照射体积周围的材料。 
在本发明的另一方面中，提供了一种用激光对组织做手术的方法，包括： 
用脉冲激光束照射组织的一体积，其中所述激光脉冲具有： 
i)足够大的能量，使得在激光照射的组织体积中吸收的光产生超过所述激光照射的组织体积中含有的至少一种组织成分的汽化点的过热温度， 
ii)满足脉冲热沉积要求的脉冲持续时间和波长，使得所述脉冲持续时间短于从所述激光照射的组织体积向外热扩散所需的时间且短于所述激光照射的组织体积的热驱动的膨胀所需的时间，以及 
iii)所述脉冲持续时间足够长且所述脉冲能量足够低，使得所述激光脉冲的峰值强度低于在所述组织中发生电离的阈值， 
从而所述激光脉冲中所含的大部分能量将被转变为所述激光照射的组织体积中组织的烧蚀，任何残余能量不足以显著损伤所述激光照射的组织体积周围的组织。 
本发明还提供了一种用于激光加工材料的设备，包括： 
用于产生激光脉冲的激光源，所述激光脉冲具有大约1.5和大约20微米之间的波长，且所述激光脉冲具有： 
i)足够大的能量，使得在激光照射体积中吸收的光产生超过所述激光照射体积中含有的组织的至少一种成分的汽化点的过热温度， 
ii)满足脉冲热沉积要求的脉冲持续时间和波长，使得所述脉冲持续时间短于从所述激光照射的材料体积向外热扩散所需的时间且短于所述激光照射的材料体积的热驱动的膨胀所需的时间，以及 
iii)所述脉冲持续时间足够长且所述脉冲能量足够低，使得所述激光脉冲的峰值强度低于在所述材料中发生电离的阈值， 
从而所述激光脉冲中所含的大部分能量将被转变为所述激光照 射的组织体积中材料的烧蚀，任何残余能量不足以显著损伤所述激光照射的材料体积周围的组织。 
附图说明
现在将参考附图仅以举例方式描述根据本发明的激光手术方法，在附图中： 
图1A示出了在用脉冲持续时间τ＝150ns持续时间的532nm脉冲激光照射之后的鼠股骨的显微照片，示出了由常规激光在生物组织中造成的极大的热，导致了延期愈合和碳化。 
图1B示出了在以λ＝775nm，100μJ/脉冲，1kHz，τ＝200fs的激光照射后的切开的鼠头盖的显微照片，用碱性磷酸酶(AP)染色该头盖，在紧靠烧蚀的区域的细胞表面上AP(蓝色)是活性的； 
图1C示出了在用λ＝535nm，1mJ/脉冲，1kHz，τ＝150ns的激光照射之后的切开的鼠头盖的显微照片，该显微照片清晰地示出了伤口周围的碳化，从烧蚀区域直到200μm处使得AP被改性，表明温度升高在56℃以上。褐色的环形区域为碳化的组织； 
图1D示出了对应于图1B的组织的激光共焦图像，经染色用于分析细胞内酶活性，示出了大约2个细胞层厚的细胞损伤； 
图1E示出了图1C中对应的切口，示出了超过300μm厚的细胞膜损伤； 
图1F示出了图1B的内部切割边缘的高功率共焦图像，其中细胞状的形状仍然可区分。由于有碳化的组织，这不能由ns的切割重复； 
图2A到2D示出了以骨头作为基材的用飞秒激光脉冲的激光烧蚀和短脉冲IR烧蚀的直接比较； 
图2A示出了利用空间分布为高斯型的激光脉冲的飞秒激光烧蚀，其使用了注量(fluence)为1J/cm2的120fs，100微焦(μJ)的脉冲； 
图2B示出了利用100ps激光脉冲的激光烧蚀，该激光脉冲以聚焦的1J/cm2的注量被特别调谐到3400cm-1(2.8μm)处的水的OH拉 伸的吸收(左边，人的牙本质，脉冲能量：100μJ，1/e2的束斑大小：150μm，腔直径：45μm，腔深度7μm。右边：猪颌骨，脉冲能量：90μJ，1/e2的束斑大小：150μm，腔直径：40μm，腔深度：5μm)； 
图2C利用与图2B的相同条件示出了原样弹射(ejected intact)的大的20μm的胶原纤维束； 
图2D示出了鼠头盖骨，脉冲能量：90μJ，1/e2的束斑大小：150μm，清楚地看到了纤维未变化的更多证据； 
图3示出了根据本发明构造的用于激光手术的红外(IR)脉冲激光设备的示意图； 
图4示出了结合了脉冲整形的图3中所示的可调谐亚纳秒IR脉冲激光手术设备的输出，示出了入射到照射区上的整形过的脉冲的略图。 
图5示出了作为2.5和7μm之间的波长的函数的人角膜基质的吸收系数，同样适用于具有同等高的含水率的脑组织、软骨和圆盘(disc)材料；(源自参考文献15) 
图6示出了在2.5和20μm之间在牙齿内的牙本质和瓷釉的相对吸收；(源自参考文献15) 
图7示出了用以避免消感应吸收效应(bleaching effect)的波长时分复用简单范例，其中脉冲前沿具有被调谐到水的OH拉伸振动的波长(3400cm-1)；脉冲后沿(时域)(暗区)被调谐到3200cm-1处的激发态吸收。脉冲谱还可以同时包括调谐到诸如1600cm-1处的OH弯曲模式的其他振动的其他频率。 
图8示出了用以进入激发态瞬变的时域脉冲整形的过程，其中IR“爬梯(ladder climbing)”被示为增大光吸收的手段； 
图9示出了在激发过程期间水的OH拉伸的吸收的非谐波漂移的示意图； 
图10示出了由一系列短IR脉冲构成的IR激光能量束的另一种可能的时域形状，该短IR脉冲具有根据正文所述的标准选择的波长，不过不是一个<1ns的脉冲，而是有在长度为τ的包络下方的满足前述相同条件的一串(a burst of)突发激光脉冲，该条件即，其小于从受 影响区的热扩散时间并小于靶板材料中的声音跨越受影响区的纵横尺度传播所花的时间； 
图11A示出了高斯脉冲的温度分布图，其中示意性地示出了用于烧蚀的温度阈值，其中在该温度分布图之外吸收的材料不会被烧蚀，但会受到过度加热；以及 
图11B示出了正方形强度分布图或平顶激光脉冲，以避免通过在图11B的脉冲的翼部吸收而造成过度加热。 
具体实施方式
本发明描述一种新颖的烧蚀方法，该方法基于对烧蚀过程和振动能转换成热能的动力学的新理解。使用短激光脉冲来最佳地激励振动(或点阵声子)并脉冲式地直接将能量注入机械自由度使得用于烧蚀的直接驱动机制成为可能。在这样做时，该机制避免了对导致有害副过程的中间状态和高峰值功率的需要。能量完全局限在与烧蚀过程相关的机械自由度中。这里公开的本发明提供了一种新的方法论，其中，可以实现与利用飞秒脉冲多光子吸收相同的过度加热目标状态以驱动烧蚀，但是不会在过程中产生离子。净效应是获得了大部分吸收能转化成烧蚀机制的热和光化学驱动的烧蚀过程。 
使用这里公开的脉冲热沉积(IHD)方法，通过结合短暂的振动模式和所吸收的光的强局域化，将能量直接沉积成热，能够实现附带损伤最小的烧蚀过程。如果可以将能量转变为热并产生超过材料汽化点的过热点阵(lattice)温度，大部分能量将被转变成烧蚀[12，13]。 
具有迅速加热的烧蚀机制的物理机制涉及到不稳定性，其中有在均相成核过程中材料内从固相或液相到气相的相变。过热的材料有效地在材料中生成产生应力的气相区或空洞，该应力又与热膨胀的应力结合，导致材料烧蚀。响应于这些应力而随后在材料中发展的应变场的强度与引导到烧蚀中的能量相关，其随着应变场平方的幅度而缩放，这使得该相长干涉(constructive interference)效应相当重要。这些条件导致所沉积的能量最高效地转移到烧蚀中，即，在烧蚀步骤之后，该过程留下尽可能冷的周围材料。对于飞秒激光脉冲激励而言， 通过多光子吸收以及自由电子和离子化成分的产生将驱动烧蚀的能量沉积到电子中。 
这些高度激发的电子沉积热并在被称为雪崩电离的过程中通过与点阵声子碰撞产生更多的热电子[5，7]。在许多应用中要不惜任何代价避免这种电离步骤，因为这样的离子是高活性的(highlyreactive)。 
这些光致热离子在硬金属表面的烧蚀中是可以接受的，但是会损坏生物系统和诸如半导体器件的高度功能化的材料。该效应在图1D中示出，其中由这种效应诱发了一层被损伤的细胞。可以用其它方式沉积热以生成IHD所用的恰当条件。在我们针对水的工作期间，我们发现液态水具有难以置信的短暂振动状态[16]，该状态直接将能量沉积为振动或热。这种过程实际上比飞秒激光脉冲驱动的电子雪崩机制中发生的电子将能量泵浦到点阵声子或热[17]所需的时间尺度发生得更快。 
明显地，能量的这种弛豫发生在与振动自身相同的时间尺度上。IHD过程对于激发振动或直接将能量沉积为热来说是相同的。对快速振动能弛豫的这些看法以及对飞秒烧蚀的背景研究使人们意识到，可以引入激励材料的新机制来避免电离辐射效应。通过调谐激光波长以将能量局域化最大化到短暂振动激发态中，可以驱动IHD而没有在使用超短脉冲(这里将超短定义为小于1ps)时发生的离子或等离子体的形成。 
另一个关键物理信息是，对于完全谐振状态，IR被吸收到特定振动中是极强的，并提供了以分子大小选择的方式局域化能量的自然手段。水的振动模式(OH拉伸、OH弯曲及组合)对于生物材料的激光切割尤其有用。这些振动的寿命小于200fs，因此激光沉积的能量将基本跟踪激光脉冲的时间曲线。此外，吸收是如此得强，乃至被调谐到OH振动的IR在不到1μm之内就被吸收了。不过，就从受激励区向外传导热和声而言，许多其他的分子振动也是充分短暂的，可以满足IHD的条件。大多数材料具有材料中的至少一种振动模式的充分高的数量密度，确保了激光沉积的能量的强局域化。 
在充分短的时间尺度上不形成离子而把光能强烈局域化到直接耦合到热的短暂振动模式是关键的实现原理。该原理通过将激光波长调谐到与靶板材料匹配而实现了高度的选择性，甚至达到分子选择的程度。在试图从目标去除单一特定材料时这种通过激光调谐实现的分子选择性尤其有利。重要的应用包括去除具有特定光谱标记的肿瘤细胞或从好的牙体上仅选择性地去除龋齿。这些只是两个重要的例子。 
这里披露的方法涉及到使用短激光脉冲，该激光脉冲在时间上短于从激光照射面积向外的热扩散时间，更限制性地，短于热驱动的膨胀时间。热扩散和热膨胀的时间必须要在观察报告的长度尺度的上下文中定义。就热扩散而言，重要的维度典型地是激光光点尺寸或截面积。通常沿着每次激光发射的方向向下穿孔仅仅会去除0.1到1μm的材料(依赖于材料和波长)。假设为了最小化受激励材料但又为聚焦光学器件提供合理的工作距离，典型的激光参数将包括10到100μm之间的激光光点尺寸，那么沿横向热扩散的时间通常会长于1微秒。利用上述被吸收光的强局域化条件，热扩散沿纵向(垂直于表面)会更快。沿该方向，理想地将会在距表面0.1到1μm之内发生光吸收。根据材料的热扩散率，这种情况下的热扩散时间可以在10-100ns的量级上。 
不过，在热传导限制之外，更为迫切的要求是脉冲要比热驱动的膨胀更快地提供能量。该过程以声速发生，而不是通过扩散性碰撞交换的过程。现在在这种情况下，最快的冷却过程是沿纵向的热膨胀。对于微米级深的照射区，热驱动的声场在小于音速传播通过光的吸收深度所花的时间获得最大的幅度。该时间界定了IHD的极限。对于大多数凝聚态物质典型的音速(在105到5×105cm/s之间)而言，对于1μm的加热区，该时间尺度在200ps和1ns之间。对于具有更高吸收的材料，例如金属而言，光吸收可以被局域化在短达0.1μm的深度中，该时间尺度减小到20到100ps。理想地，脉冲持续时间应当稍短于该时间，以最小化由于声传导导致的吸收能到周围材料的损耗。对于IHD，脉冲持续时间应当短于声音扩展时间，从而对于大多数材料而言，所要求的脉冲持续时间在10ps到1ns之间。 
以上说明描述了如何确定最佳IHD所需的脉冲时长。该方案优选适用于被调谐到分子特定/材料特定的(molecule specific/materialspecific)振动的IR光。振动寿命差不多都短于10ps[18，19]，因此沉积的能量将在脉冲持续时间之内被有效直接转换成热。 
对于生物材料，能够在其中被局域化到1μm深度，音速更接近水的音速(2×105cm/sec)，100ps量级上的脉冲将接近最佳值。更短的脉冲具有更高的峰值功率，于是应当强调，对于由材料电离阈值设置的脉冲持续时间，存在着下限。 
图1和2示出了飞秒范围的超短激光脉冲、1ns或更长的常规长脉冲激光以及本发明的短IR脉冲(这里将短脉冲定义为1ps到1ns)的IHD的烧蚀之间的明显差别。差异清楚地展现了在前述脉冲持续时间范围内用于直接沉积能量和能量强局域化的短IR脉冲的优点。 
更具体而言，图1A到1E示出了用骨头作为基材的使用短脉冲和长脉冲的激光烧蚀的效果。图1A示出了激光照射之后的鼠股骨的显微照片，示出了用常规激光在生物组织中产生了极大的热，导致愈合延期和碳化。对于活体骨组织的研究来说，我们将研究拓展到如图1B-F所示的鼠头盖。引入这些图是为了强调在考虑将生物组织的激光切割用于医疗和牙科应用时愈合的重要性。图1B示出了在以λ＝775nm，100μJ/脉冲，1kHz，τ＝200fs的激光照射之后切开的鼠头盖，该头盖用碱性磷酸酶(AP)染色。在紧靠烧蚀区的区域中的细胞表面上AP(蓝色)是活性的，图1B示出了短脉冲激光器切割获得了非常轮廓分明的切割，没有碳化。图1C示出了在用λ＝535nm，1mJ/脉冲，1kHz，τ＝150ns的激光照射之后切开的鼠头盖的显微照片。该图清楚地示出了在伤口周边的碳化，直到距烧蚀区200μm的地方AP都被改性，表明温升在56℃以上。褐色的环形区域为碳化的组织。图1C中的结果示出了用长脉冲烧蚀的问题，因为热量有足够多时间转移到激光照射区之外的相邻材料。形成显著的碳化区清楚地表明，周围材料达到的温度高到足以燃烧但还不足以烧蚀。这种碳化使愈合不可能且是高度有害的。这个问题不仅仅是生物材料特有的，而是任何具有高度功能性的材料(例如半导体器件)所有的。 
图1D示出了与图1B相同的飞秒激光切割的激光共焦图像，经染色用于分析细胞内酶活性，该图示出了在切口周围有2个细胞厚的损伤层。图1E(与图1C相同的长脉冲切割)示出了在围绕切口的300μm厚的层中的细胞膜损伤。而图1F示出了图1B的内部切割边缘的高功率共焦图像，其中细胞状的形状仍然可区分。在长脉冲切割中不能看到这种现象，因为有碳化组织。图2示出了以骨头作为靶材利用飞秒激光脉冲的激光烧蚀和利用短IR脉冲烧蚀的IHD的直接比较。烧蚀结构中的显著差异清楚地表明了在两个过程中起作用的是非常不同的烧蚀机制。图2A示出了利用1J/cm2的注量120fs，100μJ脉冲的飞秒激光烧蚀。注意非常锐利的边缘以及光滑平坦的轮廓。激光脉冲本身在空域上是高斯型的，而锐利的特征源自于多光子吸收以及随后一旦形成等离子体后的吸收饱和[20]。 
等离子体的形成导致材料大量电离、破裂(fragmentation)和彻底碎解(disintegration)，于是获得了非常光滑的表面。相反，图2示出了使用被特别调谐到3400cm-1(2.95μm)处的水的OH拉伸吸收的100ps的激光脉冲以聚焦的1J/cm2的注量进行的激光烧蚀。两个不同的区域表明了不均质的效果。注意，该图(2B)右边的扫描电子显微照片示出了大部分的原样胶原，看起来很像被叉子提起来的原样的细通心面。对于相同的注量，烧蚀坑的深度是飞秒情形下的7倍，这证明利用振动模式的IHD具有更高的效率。最重要的发现是壁不再是光滑的了。在烧蚀步骤中有大部分的，很多个微米长的原样胶原纤维被弹射出来，如图2C中所最清楚示出的。图2C利用与图2B的相同条件示出了原样弹射出的大的20μm的胶原纤维束。 
图2D示出了鼠的头盖骨，具有清楚可见的原样纤维的更多证据。周边附近后继的脉冲或对同一体积内进行重复激励去除了切割工艺中的残余物。关键的发现是，不像在飞秒切割的情形下出现极光滑的表面，而是原样剥落了大量的大分子和纤维。这一非常显著的差异对于损伤最少的激光切割以及随后的改善的切口愈合是最为重要的。 
由于没有适于产生IH所需的亚ns中IR脉冲的激光增益材料，因此历史上仅仅自由电子激光器能够以必要的能量达到该脉冲范围。 不过，自由电子激光器产生的ps脉冲不适于IHD，因为它们是以许多ps脉冲在时间上密集分布构成的群(packet)的形式产生的，该群形成了持续时间比如下所述的脉冲极限长得多的“宏脉冲”。这些自由电子激光器脉冲群导致累加的附带损伤[20]，因为在群中的下一个脉冲达到样本之前烧蚀过程还未完成，因此脉冲群的有效特续时间为其长的合成加热包络而非其构成的皮秒脉冲。使用非线性参量混频将能量从常规激光源转移到中IR波长已经实现了超快中IR光谱。利用光学参量技术现在能够产生所需能量的中红外亚纳秒脉冲。与IR自由电子激光器(FEL)相比，这种新激光技术极大简化了用于真实IHD的短IR脉冲的获得。应当注意，IRFEL是大型的国际研究设备。利用更高效的机构和相对于飞秒激光材料加工的IHD放宽的脉冲持续时间限制，低成本、紧凑的固态激光器现在可以被用于以最小的损伤实现激光切割并且是本发明的另一个有利特征。用于实现本发明的优选激光源的更多细节在申请人同处于审查中的2005年5月16日提交的美国专利申请No.10/129649(被公开为美国专利公开No.20050271094)和2005年1月10日提交的美国临时专利申请No.60/642113以及其相应的以公开号No.20060153254公开的完全实用(full utility)美国专利。 
图3示出了用于1.5-12μm波长的亚纳秒IR脉冲的简单紧凑光源的一个可能实施例。激光系统包括用于泵浦子系统的种源激光器1。它产生波长λ1大约为1μm的低能量脉冲。该激光系统可以包括任选的泵浦子系统前置放大器2，其接收并放大来自种源1的脉冲，然后脉冲被引导到泵浦子系统放大器3。该系统包括光纤耦合的激光二极管4，其波长λ2被调谐到λ1-λ3，其中λ3为目标分子振动跃迁的波长。该系统还包括光学参数放大器5，其中将波长为λ1的脉冲用作泵浦，将波长为λ2的激光辐射(连续的或脉冲的)用作种。该系统产生具有期望波长λ3和1ps到1ns的脉冲持续时间的能量脉冲6。我们已经验证了具有＞200μJ的脉冲能量和＞200mW的平均功率的这样的系统。本领域技术人员可以容易地改善这种系统的脉冲能量和重复率。 
将脉冲整形方法引入可调谐亚纳秒红外(IR)脉冲激光手术设备允许产生时间包络τ＜1ns的脉冲或脉冲串。对这些脉冲的时间和光谱形状进行优化以最大化在靶材处的热沉积，同时避免如下文所述的多光子电离和消感应吸收。 
对于指向材料一个区域的激光脉冲来说，材料的被照射区具有由激光束参数和材料的性质决定的空间属性。图4示意性地示出了被照射区5。它具有由激光束的空间强度半径定义的半径R和由吸收深度定义的深度d。要发生IHD，脉冲包络长度τ应当短于靶板材料中的声音跨过受影响区5的纵向和横向长度迁移所花的时间。 
τ＜d/vSound， 
τ＜2R/vSound， 
其中d为1/e吸收深度，vsound为靶板材料的音速，R为激光束空间强度的半径(FWHM)。它也应当比沿纵向和横向从受影响区热扩散的时间短： 
τ＜d2/6D 
τ＜(2R)2/6D 
其中D为热扩散常数。对于生物组织，D～10-7m2/s是典型的。从激光设备以对应于重复率的时段T隔开发射脉冲。脉冲之间的时间应当长于从靶板材料的受影响体积5的热扩散时间： 
T＞d2/6D 
T＞(2R)2/6D 
满足该条件以避免激光发射之间的残余热积累以及与热损伤相关的问题。被照射区的深度d在有效吸收长度α-1的量级上，其中α为材料在激光脉冲波长上的吸收系数。为了具有有效的热沉积，吸收长度应当在1μm的量级。受影响区的横径2R通常在用于实际应用的10-100μm的量级上。 
生物组织的振动吸收光谱通常在水的OH振动模式处表现出强吸收。图5示出了作为2.5和7μm之间的波长的函数的人角膜基质的吸收系数，同样适用于具有同等高的含水率的脑组织、软骨和圆盘材料。对于生物材料而言，本发明涉及到将热选择性沉积到被照射区中 水含量高的微型坑中，作为分子大小的选择手段来将能量沉积到需要最少能量来驱动IHD响应的组合的光机械和热诱发的相变分量的区域，因为水在生物组织的构成材料中具有最高的蒸汽压力和最低的沸点。由于水区域中的浓度随相位扩展而降低，相变将声学响应转移到剩余的被照射区。该过程将热能聚焦产生应力，在异质生物材料中导致更有效的烧蚀过程。所有沉积的能量保留在以最少向相邻材料转移能量的烧蚀过程所需的机械自由度中，于是提供了最少的附带损伤。 
对于这些生物材料，蛋白质的氨基化合物带也对IR吸收有很强作用，可用于选择性地切割蛋白质丰富的材料以及避免切割其他区域。图6示出了在2.5和20μm之间在牙齿内的牙本质和瓷釉的相对吸收。这里水的相变仍然起作用，不过根据分子组成，还有其他非常强的相变也可以用于有选择地切割牙齿的不同部分。 
由于大多数振动寿命在几个皮秒到10ps的量级上，因此短于该时长的脉冲将导致消感应吸收。发生这种现象，其中，在被激励过程中的接收状态被提升到新的状态，该新状态不再在与未激励材料相同的光谱区中吸收。称材料被消感应吸收，由此变成更加透明的。为了获得被吸收光的最强局域化，应该避免该过程。需要控制提供能量的脉冲状态以避免消感应吸收。 
最佳的脉冲持续时间是由靶材材料的性质，尤其是谐振吸收决定的，在最佳脉冲持续时间下，可以提供每单位体积或质量吸收的最大能量而没有电离和消感应吸收效应。应当强调，脉冲能量需要产生热而不直接导致离子的形成或过度消感应吸收。给定由通过多光子吸收造成的电离阈值定义的最大强度极限，最佳脉冲时长会线性地缩放(scale)以获得更大吸收深度。 
此外，由于OH势能表面的非简谐性，受激励的OH拉伸模式将在中心处于3200cm-1的红移波长处强烈吸收。[16]于是，克服消感应吸收效应的最简单方法是时间波长复用，如图7所示。在该方法中，选择脉冲的前沿使波长调谐到位于3400cm-1处的水的OH拉伸振动，并将脉冲的后沿调谐到激发态跃迁，以保持平均吸收常数并将被吸收的光能量局域化在尽可能小的体积中。可以从公知的激光脉冲整形技 术构思出这样的时域和波长曲线。也可以将该方案结合其他振动模式使用。 
作为提高光的吸收的手段，脉冲整形可用于达到许多激发态跃迁。例如，图8中示意性地示出了IR“爬梯”效应。可以利用含有后面发生的红移光谱分量的脉冲形状实现这点，该分量可以被从已经由脉冲填充的(populated)能级的激发态跃迁所吸收。最佳的脉冲波形不会是分立的，而是在频率上平滑变化“啁啾”到红色的，以动态地驱动该爬梯过程，以最小化基态的消感应吸收效应。在加热材料的时候，模式之间的非谐耦合导致光谱变化，可以等同地使用时间波长复用来补偿该效应，以最大化光吸收的局域化。 
水是最为丰富的物质，在大多数生物组织中的IR激光驱动的烧蚀过程中可能是主要目标。在水中，如图9所示，激发态频移大约为200cm-1。该值取决于振动和周围介质，且仅作为示例给出。在调谐到基态IR跃迁的单波长上进行脉冲式激励造成在基态频率处的吸收减少且激发态吸收增大[16]。于是，为了避免消感应吸收，需要根据分子模式的具体非简谐性调谐激光脉冲上的啁啾或时域波长曲线，可以使用标准技术独立确定非简谐性。 
图10示出了IR激光能量束的另一种可能时域形状。它由一系列短IR脉冲构成，这些脉冲具有根据这里披露的标准选择的IR波长，不过不是一个＜1ns的脉冲，而是在长度为τ的包络下具有一系列激光脉冲，该长度τ满足如前所述相同的条件，即，脉冲包络短于从受影响区热扩散的时间以及靶板材料中的声音跨越受照射区的横向尺度和纵向尺度传播所花的时间。脉冲之间的间隔应当大于作为主要吸收机制的振动跃迁的激发态寿命，给激发的振动以时间以在沉积能量之后驰豫回到基态。通过这种方式，消感应吸收和多光子电离的问题变小了。以上的形状结合密集的脉冲，和调谐到其他强IR跃迁的额外波长和/或对光谱漂移的动态补偿，可用于进一步提高被吸收光能的局域化，以实现高效率的IHD烧蚀，而仅有最少的热量转移到目标区之外。 
入射激光的径向分布在能量的热转移的局域化方面同样重要。图 11A示出了入射到材料上的高斯光束的温度分布图。仅仅光束的中央部分超过了烧蚀阈值，而在该部分之外吸收能量的材料不会烧蚀，而是会积累热量。使用图11B所示的方形强度曲线或平顶激光脉冲使该问题的影响最小化，因为它避免了在图11B的脉冲翼部吸收导致的加热。 
这里公开的本发明的重要方面是使用产生具有如下条件的激发态的激光波长或其组合：1)短寿命(短于如上定义的所需的脉冲时长)；2)快于脉冲时长所需时间的非辐射弛豫和直接热量产生；以及3)根据材料的性质选择性调谐激光辐射的峰值功率和波长以获得强吸收条件。可以控制光的后一个性质以实现分子水平的控制。 
本发明的优选实施例是使用短红外激光脉冲(采用以上短时间的定义)，该脉冲被调谐到被加工有形物的振动模式。需要将激光辐射调谐到吸收足够强的特定振动模式，以便被吸收的能量和随后的加热过程被局域化在不到100微米，优选微米到亚微米的尺度中。很容易理解该条件。如果在较长尺度上吸收能量，就需要增大达到相同加热速率所需的脉冲能量。对于给定的激光脉冲时长，随着能量的增大，相同表面面积上的峰值功率接着增大。该峰值功率不应超过由多光子吸收产生离子的阈值。该表述还认识到对给定激光系统，甚至高亮度激光器(TEMOO)的每脉冲能量的限制，以及对可能被吸收的每个脉冲的最小能量的要求，以使附带损伤最小化。 
作为一般规则，有可能在红外中找到非常满足要求的振动跃迁，该跃迁导致微米到亚微米尺度上的吸收局域化。这些振动状态需要足够快地产生热，以满足以上为过度加热和烧蚀定义的脉冲限制。例如，在生物组织中，非常明确，要调谐到作为最主要成分的水的OH拉伸。 
OH振动拉伸的吸收是如此强烈，使得对于水环境来说，在0.75μm之内发生吸收。此外，发明人认定，振动寿命在200fs的量级上[16]，并通过耦合到其他周围水的低频运动而直接弛豫。简单地说，振动能直接弛豫成热量。这种弛豫机制实际上甚至比飞秒激光多光子激发(被激发的电子需要通过效率较低的电子-声子散射进一步弛豫)还要快地将所吸收的激光辐射沉积成热量，不过关键的区别在于没有 直接产生离子。能量被有效地直接沉积成热量或者平动自由度；导致烧蚀所需的同样的自由度。这种在充分短时间尺度上的能量局域化机制选择性地直接将激光能量耦合到驱动烧蚀的模式中，以获得有效的直接驱动机制。 
可以将激光辐射调谐到其他振动模式用于同样的效果。几乎所有的振动模式都具有小于10ps的寿命且在于这一相同时间尺度上产生热量的过程中弛豫。那么，流程就是简单地调谐红外光谱区中的激光辐射以匹配感兴趣的振动模式。该振动模式典型地会对应于要被去除的材料的主要成分。如果IR吸收对于所需的效果不够高，可以通过包括多个波长或通过多个振动模式调用能量供应作为热源辅助IHD来进一步在空间上局域化光。 
注意，这里阐述的发明和观点有几个方面使其与众不同而新颖： 
本发明基于光的最佳吸收以在尽可能最小的体积要素中创造脉冲烧蚀条件，以为切割创造最不具侵入性/损伤性的条件。 
本发明解决了由于激光切割造成的附带损伤的问题。使用IR到UV波长的长脉冲激光这个问题很明显，导致过度加热、汽化或严重材料损伤(破碎、裂痕、应力线)。在医疗和牙科领域中，长脉冲导致组织的碳化(烤肉效应)，很大区域具有碳化点。该效应在图1中清楚地示出。组织碳化导致大面积材料坏死，或者没有治疗的前景，或者结果很差，有显著的疤痕，比用任何机械工具实现相同功能差得多。尽管有这些限制，仍然有些专利使用IR波长来切割材料。最著名的是基于Er：YAG和其他产生2.9μm波长区的长脉冲的激光增益介质的专利。美国专利No.6,824,541[14]和美国专利No.5,782,822[10]涉及使用IR激光进行角膜雕刻的方法。这些方法属于Er：YAG和其他2.9μm范围的激光的使用，特别界定了大于100微焦的脉冲能量来做切割，并涉及到比本发明使用的作为对IHD最佳的脉冲持续时间长得多的脉冲持续时间。该指定的能量范围[14]远在使用这里所述的新原理进行烧蚀所需的最小能量之上，并且展示出，在这些涉及到使用如上所述的IR波长[9，10，14]的其他专利中没有采用或考虑IHD机制。 
关键区别在于，由于与工作机制相关的技术和概念两方面原因，现有技术采用了时长长于1ns的激光脉冲或激光脉冲梳；而本专利中所包含的概念是使用＜1ns的脉冲，具体而言，使用IHD来直接驱动如上定义的冷烧蚀过程。以下方面值得注意：在牙科中使用长脉冲(＞1ns)的这种激光方法需要用高压水喷射来冷却材料，以免燃烧乃至用这种措施防止发生附带损伤。实际上，对于牙科应用而言，实际的切割机制与过度加热和所施加的冷却水中诱发的空化的关系比与牙齿中的直接吸收的关系更为密切。后一点是显然的，因为水的吸收非常大，使得任何施加到牙齿的外部水源在激光能量直接沉积到牙齿中之前将会吸收基本所有的激光能量。本文披露的本发明描述了产生最优条件的IR激光的波长和时域调谐，用于将最少的能量沉积到材料中，以最小的附带损害进行切割。在高流动性条件下用水冷却以及其他措施不是本方法所必需的。 
Er：YAG激光在牙科中带来的最大问题之一是大水流，这使牙科医生在执行任务时看不清楚。此外，使用大体积水流冷却就必需要求更大的工作距离，因此要求高得多的脉冲能量用于相关的更大斑点大小，以实现烧蚀。该问题通过本发明获得了解决，本发明也能够通过光纤供应实现直接接触获得最小光斑尺寸以及目标上尽可能最低量的能量。对满足高流量水冷所需的长工作距离的要求放宽，这是本发明非常重要的特征。能够将光纤与受影响区域紧密接触或使光纤紧密定位到受影响区域也确保了平顶光束曲线，进一步使对被烧蚀区之外的区域的附带损伤最小化。在包镀金属的空心纤维的纤维出口处在近场区中，强度分布是均匀的，IR区中的吸收如此之强，以至于在该近场区中产生了被吸收能量的强烈局域化。该特征实现了一种简单的装置来获得热量分布在空间上均匀的径向曲线，如图11作为最佳情况所示的。可以使用具有大折射率差异或结构化折射率分布的其他光导纤维和波导装置来实施这种方法，这些光导纤维和波导装置作为在靶材上提供平顶强度分布的简单装置，给出了对近场中的平顶强度分布的良好近似。 
这里提出的这些新方法实现了更高的切割速度，将附带损伤降到 其令人满意的结果的最低可能值，并通过聚焦元件或光导纤维或其他波导装置将激光束供应系统直接接触或紧密耦合到靶材。本发明在短IR脉冲束提供的时域、波长和空间方面覆盖了最佳性能，以最小侵入性去除材料。 
这里公开的方法尤其对激光去除组织有利，所述组织例如是但不限于：包括牙本质、釉质和牙龈组织的牙齿组织、角膜组织、皮肤、所有人体器官、结缔组织、肌肉组织、血管组织、神经、泌尿组织、腺组织、内分泌组织和骨组织。 
在激光脉冲时长的相反极端情况，已经公开了覆盖激光切割和材料加工的专利[6，7]。在所有这些专利中，极短脉冲的使用被定义为在飞秒到皮秒范围内，并使用基于多光子吸收的切割机制实现能量局域化和/或等离子体形成。在两种情况下，都会发生电离效应，导致对相邻材料的损伤。对于金属而言，通过金属中的流动电荷迅速抑制了离子。不过，半导体对于影响掺杂分布的离子更加敏感。 
对于医疗和牙科应用来说，烧蚀过程中发生电离导致对周围组织的损伤和生物路径的破坏。在本专利申请中提出的新原理详细解释了存在最佳的脉冲时长且如上定义的超短脉冲未必满足这些条件。此外，这里披露的切割机制显然与所有超短脉冲专利不同。超短脉冲烧蚀机制依靠多光子吸收来产生短暂的受激电子和离子，它们迅速将能量沉积成热。然而，这里公开的方法教导的是，如何通过经由受激振动将光能直接耦合到机械自由度(热)将热量与这些超短脉冲多光子过程一样快地或更快地赋予给材料。这种用于激光驱动的烧蚀的新方式基于单光子振动谐振而定义，实现了分子水平调谐以进行选择性切割，远好于不加区分的且导致电离的多光子吸收机制可能获得的任何结果。分子的振动光谱是该分子的特征标记，使用与该分子匹配的特定IR波长实现了对热沉积和随后的切割的分子水平控制。 
基本上来说，在本发明之前，还没有一个用于切割的激光加工流程避免了显著的相邻区域的附带损伤，无论是过多的热损伤或电离辐射损伤而言。在应用到医疗和牙科领域中时该问题最为突出，在这些领域中涉及到软材料，在化学过程和对热与电离效应非常敏感的成分 之间有着易破坏的平衡。本发明提供了一种通用的解决方案来设计用于切割的最佳激光脉冲，以提供最少的附带损伤。对于医疗和牙科应用而言，本发明提供了第一种用于以远超出任何机械刀锯(手术刀等)的精确度且具有完全愈合效果的激光加工方法。实际上，愈合时间应当接近理论极限，因为可以以单个细胞级别的精确度进行切割，伤口尺寸尽可能最小，实现了最大的愈合速度。因此本发明具有巨大的社会经济影响。 
范例 
为了最好地切割用于医疗应用的组织，应当将激光脉冲调谐到水吸收线。水是生物组织的化学成分中最大的单个成分。水的吸收过程在IR和近VUV区中最强。在这两个波长区域中，优选用IR，因为在命中目标区之前UV将会被其他材料吸收并导致有害的光化学过程。水中最强的吸收谱带与OH对称拉伸(3400cm-1)和OH弯曲运动(1650cm-1)相关。吸收是如此之强，乃至于在纯水中1/e渗入深度为0.75μm。OH弯曲在吸收强度方面类似。在这种情况下的脉冲持续时间应当小于1ns，且理想地应当在1到100ps之间。更短的脉冲将会导致多光子吸收效应和有害的离子形成。点阵的温度应当被过度加热到组成材料的汽化点以上。 
组织中大部分成分在100℃(水)到1000℃(生物聚合物)变成气相。在1μm吸收深度的情况下，实现该温度跃变的能量阈值大约为1J/cm2。对于1ps或更短的脉冲，大部分能量会在受激振动中驻留长于脉冲持续时间的时间。该能量阈值大约对应于吸收剂两倍的IR光子，使得材料的吸收被有效地消感应吸收且光学渗入深度通过该消感应吸收过程延伸到比本征低注量吸收深度更深。这种消感应吸收作用增大了用于烧蚀的激光能量阈值并导致过度加热和损伤。在这种情形下，最佳激光脉冲如下构造：能量的大约50％调谐到对应于OH拉伸的波长，一半调谐到OH弯曲。能量将会被提供到对于给定激光束焦点来说尽可能最小的体积元。可以类似地复用其他波长以通过最小化消感应吸收效应增大能量吸收。这一优化过程有效地在光谱中分散 了能量，以增加可用于激光能量的接收模式，以最强地局域化给定量的能量。 
类似于上述，对于用激光切割具有大含量纤维材料的生物组织来说，提供额外的调谐到原纤维(例如胶原)的氨基化合物振动的激光能量优化激光切割，以软化聚合物。后一种曝光应当在提供用于汽化的温度跃变的主要激光脉冲之前提供并使之前驱动的烧蚀汽化。本例会涉及到这样的激光脉冲或系列脉冲，其中，将能量的第一部分有选择地调谐以加热胶原(或相变温度比水高的其他材料)，随后是优化的等待时间用于聚合物软化，理想地是将聚合物加热到玻璃温度以上，然后进行主要照射来驱动烧蚀。在这种情况下，激光脉冲可以具有调谐到水相变和生物聚合物的优化脉冲。对于脉冲持续时间，最后的激光烧蚀脉冲将最佳地遵循以上标准。 
应当覆盖所有用于波长复用脉冲能量并调谐脉冲时域曲线的谐振单光子路径的组合，这些组合使得材料烧蚀比通过扩散或声传播将热传输到相邻区域更快。理想的激光源是具有足够大功率且在IR中可调谐的，以提供阈值以上的脉冲能量，如参考文献22中的激光源。 
总之，本发明提供了一种激光加工材料的方法，其基于对烧蚀过程和振动能转换成热的动力学的新理解。这里披露的本发明提供了一种新方法，其中能够以最少的由离子形成或热累积造成的附带损伤有效实现材料烧蚀。这是通过脉冲热沉积(IHD)实现的，脉冲热沉积是一种组合了热驱动和光化学驱动烧蚀机制二者的新方法，其中大部分吸收能量保留在被烧蚀材料中。激光能量被有效地直接耦合到导致烧蚀的机械自由度，这样一来就以最佳效率执行了该任务，这对于将附带损伤降到最低是关键的。 
对于大于热驱动膨胀所需时间的脉冲持续时间，烧蚀机制将会由“相位爆炸”主导[8，9]。对于短于热驱动膨胀时间的脉冲持续时间以及汽化阈值以下的能量吸收，光机械效应主导[3，4，10]。但是利用汽化阈值和等离子体形成阈值之间的能量吸收以及短于热驱动膨胀时间的脉冲持续时间，将发生脉冲热沉积(IHD)，从而以最小的附带损伤获得烧蚀。 
当脉冲持续时间长于热驱动膨胀时间时，仅“相位爆炸”机制对烧蚀有贡献。除了过度加热点阵材料之外，所沉积的能量还将导致强声波的产生，这可能在激光脉冲期间传播到被照射区之外。从被照射区向外的声传播代表着烧蚀过程损失的能量并降低了用于烧蚀的效率。强声波的传播还将导致应力与相邻材料中的相关损伤，其大于在本发明中的情况，在本发明中相长地(constructively)耦合光机械和相位爆炸以驱动烧蚀过程。此外，从被照射区向外的声传播持续脉冲持续时间，而该脉冲持续时间长于热驱动膨胀时间或脉冲极限，这将通过声音衰减/吸收导致周围材料的过度加热。 
这一量的能量可以是总沉积能量的很大部分。例如，在线性响应之内，声音项在材料中造成大致等于热诱发的应变的应变。例如参见Genberg等人的文献[11]，其中首次解析地解了针对任意热能化或加热速率的运动热弹性方程以获得材料中热诱发的应变和应力的精确解。在强激励和冲击波形成的极限下这种声能从激光加热目标区向外的传播可以导致对相邻材料的附带损伤。将通过使用IHD来避免这种可能出现的情形，在IHD中，在惯性约束下由过度加热和相变驱动的约束应力或光机械机制以及热机制二者会使烧蚀比声音从被加热区传播出去快。 
利用这里披露的IHD，通过在目标区中以脉冲形式将能量沉积成热实现了“冷烧蚀”过程。在大致的定容条件或能量的应力约束下，这种脉冲热沉积导致大应力。高的点阵温度还为空洞(void)的产生和空化(cavitation)效应创造了条件，因为在材料被加热时，材料通过相变迅速从固相变成液相和气相。空洞空间和空化应力起因于相变的随机均相成核过程，该过程在数量和尺寸上随着温度按指数增长[12]。 
通过均相成核，对与空洞形成和空化相关的热膨胀和应力的约束限于被强烈加热的表层区中。随后的材料响应是抵抗未加热的体材料的惯性约束而经历迅速的膨胀，自由表面的阻力最小。材料超过其粘附力且材料被从表面区剥落。以惯性方式通过IHD约束能量，在烧蚀过程中几乎所有的能量都被作为势能存储并被转换成平动动能。 
在这种意义上将该烧蚀称为冷烧蚀过程。该烧蚀根本上源自热驱 动的约束应力并利用该力非常接近自由表面而被释放，这样一来就几 乎没有能量作为热留在周围材料中。重要的是要意识到驱动烧蚀的力 有两个源项(source terms)。一项是集合应力约束(collective stress confinement)，在被过度加热的材料爆炸性热膨胀期间该约束被释放。 该源项被称为光机械应力或光机械力。另一个源项来自这些高压高温 条件特有的均相成核现象，均相成核现象通过快速加热导致的空洞形 成和空化在材料中产生额外的应力。就脉冲过度加热的亚稳定条件下 材料的相图而言，后一种效应是点阵温度的结果。该力将被称为热诱 发机制，因为其属于与热膨胀力的直接关系并列的状态变化方程。这 些源项相长干涉以驱动IHD机制中的烧蚀。 
过度加热的速率需要足够大以驱动相变快于从上述被加热区向 外的声传播。通过这种方式，所有来自光机械和热机制的力都被惯性 地约束住并通过导致烧蚀的自由表面的位移以高度定向方式释放。这 种机制与在更长时间尺度上加热不同，后者允许材料膨胀并利用被称 为相位爆炸的相变期间产生的应力来驱动烧蚀[参考文献13， E.Leveugle，D.S.Ivanov和L.V.Zhigilei“Photomechanical spallation of molecular and metal targets：molecular dynamics study”，Applied Physics，A 79，1643-1655(2004)]。 
这后一种机制未采用应力约束，因为它允许材料膨胀[参考 E.Leveugle等人的文献13]。这里公开的IHD机制更加有效。简而言 之，在通过IHD驱动烧蚀期间的能量没有通过热膨胀而损失，热膨 胀导致冷却和诱发出的应力的减小。因而，该机制与涉及到使用从烧 蚀导出的用于材料加工的红外激光的其他专利不同[9，10，14]。 
该问题已经使人们开发出一种为不涉及有害副作用的IHD创造 条件的手段，有害副作用例如是不希望的光化学过程或多光子电离； 副作用与多余加热效应一样地损伤周围材料。即使是研究在用激光过 度加热高度理想化模型系统中涉及的不同力的理论计算也在模型计 算中使用337nm电子态处的UV激励，以提供强吸收[Leveugle等人 的文献13]。人们认为这种受激电子状态会迅速驰豫将该能量转化成 振动(实际不是这样，电子激发态寿命通常为很多ns)。在用于充分短的脉冲用于脉冲激发条件的真实系统中，使用UV光会导致大规模的电离和大规模的光化学过程，此外显示出在这项工作之前不知道强烈使光局域化并不带有害副作用实现IHD的装置。本发明描述了一种实现IHD的方法，其通过组合短暂振动模式和被吸收光的强烈空间局域化解决了本问题。使用振动模式提供了一种机制，直接将能量沉积成机械自由度而不涉及到导致引发电离效应的光化学过程或多光子吸收的电子态。在这种直接驱动的情况下，被调谐到振动模式的激光辐射的脉冲持续时间小于声波遍历照射区所需的时间。由于声波将很大程度上被约束在被烧蚀体积中，诱发的应力将不再强烈冲击周围材料且将发生较少的附带损伤。所有沉积的能量都保留在目标区中以驱动烧蚀。IHD还在照射区内部导致冲击波的形成。本方法的重要优点是提高了烧蚀效率，尤其是在异质材料，诸如活组织中提高了烧蚀效率，这源于这些光机械冲击波对被照射区材料性质的影响。活组织的异质性质造成这样的微观区域，在这些微观区域中，有的成分具有局部的显著低的气相相变温度，其诱发空洞形成和空化应力。活组织中水的微观存储区(microscopic pools)提供了理想的源项以便以更低的输入能量驱动烧蚀。通过应力约束和在这种条件下利用快速均相成核提高了IHD的效率，就对周围材料的影响而言，这导致了更少的附带损伤和有效温和的烧蚀过程。于是，IHD提供了一种优异的机制，用于对诸如生物组织的，对热和声损伤特别敏感的材料进行烧蚀。 
在图2中示出了这种新的切割机制的突出优点，其中，将795nm激励的飞秒激光脉冲直接与调谐到水中OH拉伸的吸收波长的短IR脉冲进行比较。可以看出，在使用调谐到OH拉伸区的IR波长的IHD的情况下，纤维从骨样本原样弹出(图2B到2D)。相反，飞秒激光烧蚀导致了光滑的表面(图2A)，证明被烧蚀材料的完整性彻底被破坏。这些观察结果清楚地证实了，与飞秒烧蚀所用的多光子吸收到电子态相比，IHD具有较小的破坏性。 
本专利涉及通过选择性激发分子振动而精确利用能量沉积成热 的方法。将光能强局域化成直接耦合到热的短暂振动模式而不形成离子是关键的实现原理，连同用于沉积能量的时间过程的恰当方案，以避免附带的热损伤和声损伤。该原理通过将激光波长调谐到与靶板材料匹配而实现了高度的选择性，甚至达到分子选择的程度。 
在试图从目标去除单一特定材料时这种通过激光调谐实现的分子选择性尤其有利。重要的应用包括去除具有特定光谱标记的肿瘤细胞或从好的牙体上仅选择性地去除龋齿。这些只是两个重要的例子。 
脉冲持续时间需要足够长，以防止会导致多光子吸收的峰值强度，从而避免电离辐射效应。满足这些条件的最佳脉冲的范围在1皮秒(ps)和1纳秒(ns)之间。前述关于脉冲激光烧蚀的专利[6，7，9-10]没有确认能以最小附带损伤发生IHD的该时间窗口。所有现有技术都使用了不直接与分子振动耦合的波长(基于飞秒激光的方法)并将使材料电离作为驱动烧蚀的主要手段[6，7]，或者使用基于“相位爆炸”的激光技术，其限于用大于1ns的脉冲持续时间(例如：Er：YAG)来驱动IHD域之外的烧蚀[9，10，14]。具体而言，涉及到使用飞秒激光来烧蚀的专利[6，7]采用这种短脉冲的高峰值功率来使材料电离、生成自由电子并最后形成等离子体。 
一个专利[6]指出，利用这种短脉冲的高峰值功率(＞1012W/cm2)直接将固体转化成离子化等离子体，以通过等离子体的流体动力学膨胀驱动烧蚀。本领域的另一个专利[7]也采用材料的电离和高密度自由电子(＞1018电子/cm3)的产生来从场中吸收能量，经历雪崩电离以形成等离子体、材料碎解和烧蚀。后一个专利[7]还界定了小于10ps的脉冲范围，对于该范围而言，烧蚀阈值表现出显著的与平方根相关性的偏离，表明有等离子体形成的确定性过程。 
本发明激励组成物质的振动以提供热量并使用IHD直接驱动烧蚀过程，而不是驱动电子态的多光子激发和电离，以便有意识地避免离子化等离子体的形成。本发明背后的核心原理是彻底避免或尽可能最小化电离效应。这里提出的IHD机制依赖于比被加热区的热膨胀更快地将能量沉积成热。对于低于该时长的以及导致多光子电离的更长的脉冲，仅有很弱的脉冲持续时间相关性，这与消除由脉冲前沿导 致的声应变的效果降低有关，如热脉冲导致的声激励中所描述的[参见Genberg等人的以上文献11]。 
无论如何，在本发明的强单光子吸收条件下，首先没有对脉冲持续时间的平方根相关性，对此可观察到偏离。这些区别特征突出了基于飞秒激光的方法和使用IR波长来直接驱动烧蚀的IHD之间烧蚀机理的根本不同。另一个使用IR激励振动来作为激励材料的手段的相关专利特别排除了短于1ns的脉冲持续时间[9，10]，因而不满足IHD的条件。这些专利唯一地采用了相位爆炸[9]，未能意识到，在仅由IHD实现的惯性约束条件下对于一定量的吸收能量会生成显著更高的应力或力。 
将特别排除小于1ns的脉冲作为工作区域[10]，因为他们相信惯性约束是不必要的，且该区域中的短脉冲会导致由冲击波诱发的损伤[4]。冲击波导致的损伤的原理渗透到激光烧蚀文献[1]中，这些其他专利一致之处在于这种观念，即需要更慢的加热速率来避免冲击波的形成。 
这些专利和所有相关现有技术未能认识到，在惯性约束或高压下与在热驰豫的膨胀材料情形下同样良好地发生相变且具有更大的爆发力。源自带相变的相关体积变化的应力相长地加到集体热膨胀或光机械力上。同样重要的是，在IHD限制下，烧蚀发生得比重要的声传播更快；大部分能量参加烧蚀，在过程中大大地降低了冲击波幅度，使其达到与用更长脉冲烧蚀相同的程度或更大程度。 
一旦出现烧蚀阈值，整个过程会在IHD中非常快地发生或者以更慢加热速率发生，是该步骤主导着冲击波的形成。使附带损伤最小化的关键是尽可能强地在空间上使能量局域化，以防止能量通过任何换能机制转移到相邻区域中。IHD机制是这样一种机制，其完全将所有被吸收的激光能量约束住并最有效地将这种储存的能量导入烧蚀中。出于技术原因，这些专利也没有发现IHD，因为仅仅在非常近的近期固态激光器技术才发展到该阶段：其现在能够产生IR区的脉冲，该脉冲足够短(＜1ns)并具有足够大的能量[21]以实现如上所述的IHD烧蚀。在任一种情况下，在这些此前的专利[9，10]中都没有考虑采 用更短的IR脉冲的概念，因为这不是这些前述烧蚀原理的工作机制。本发明首次开展了使用IHD的验证，使用1-1000ps脉冲持续时间范围的IR激励以最小的附带损伤进行谐振或直接驱动烧蚀，因而也将该原理第一次用于实践。 
表1声音在不同组织中的速度 
  组织   声速(m/s)
  空气   330
  脂肪   1450
  人体组织(平均)   1540
  大脑   1541
  血液   1570
  颅骨   4080
  水   1480
引入该表以提供一些代表性的物理参数来定义如上所述的所需激光参数。 
如这里所用的，术语“包括”将被理解为包含的和开放的，而不是排他的。具体而言，当用在本说明书，包括权利要求中时，术语“包括”及其变形表示包括指定的特征、步骤或成分。不应将这些术语理解为排除其他特征、步骤或成分的存在。 
已经提供了对本发明优选实施例的上述描述以阐明本发明的原理，并非将本发明限制在所述的特定实施例。本发明的范围应当由如下权利要求及其等价要件包括的所有实施例界定。 
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20.See figure 2 in：G.Edwards et al.，″Tissure ablation by afree-electron laser tuned to the amide II band″，Nature 371(1994)：416. 
21.R.J.D.Miller，K.Franjic，D.Kraemer，M.Piche，″Method andapparatus for high power optical amplification in the infrared wavelengthrange(0.7-20mum)″，US Patent application Publication 20050271094.(2005). 

Claims (39)

1.一种用于非医学治疗目的的用激光处理材料的方法，包括如下步骤：
用来自脉冲激光束的光脉冲照射材料的一体积，其中每一激光脉冲具有：
i)足够大的能量，使得在激光照射体积中吸收的每一激光脉冲产生超过所述激光照射体积中含有的材料的至少一种成分的汽化点的过热温度，
ii)满足脉冲热沉积要求的脉冲持续时间和波长，使得每一激光脉冲所具有的脉冲持续时间短于从所述激光照射体积向外热扩散所需的时间且短于所述激光照射体积的热驱动的膨胀所需的时间，以及
iii)所述脉冲持续时间足够长且所述脉冲能量足够低，使得每一激光脉冲的峰值强度低于在所述材料中发生电离的阈值，
从而每一激光脉冲中所含的大部分能量将被转变为所述激光照射体积中材料的烧蚀，任何残余能量不足以显著损伤所述激光照射体积周围的材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中每一激光脉冲的波长在1.5和20微米之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中选择所述脉冲激光束的波长以在所述材料中产生至少一种激发态，所述激发态具有比步骤ii)中的所述脉冲持续时间要求短的寿命。
4.根据权利要求1所述的方法，其中每一所述激光脉冲含有预先选择的波长范围，以针对材料的性质选择性调谐所述激光辐射的峰值功率和波长，从而产生强吸收条件。
5.根据权利要求1所述的方法，其中每一所述激光脉冲含有预 先选择的波长范围，该波长范围对应于被烧蚀的所述材料的至少一种成份的最大吸收，从而尽可能强地使被吸收的能量局域化。
6.根据权利要求1所述的方法，其中每一所述激光脉冲含有预先选择的波长范围，选择该波长范围以给出单光子谐振吸收，以最小化多光子过程和电离。
7.根据权利要求1所述的方法，其中每一所述激光脉冲含有预先选择的波长范围，选择所述波长范围以给出在同一吸收谱带中的一个或多个跃迁，以相对于所述材料体积的表面最大化每单位体积或质量的吸收能量。
8.根据权利要求1所述的方法，其中每一所述激光脉冲含有预先选择的波长范围，所述波长范围被调谐到所述材料的成分的两个或更多不同吸收谱带，以对能量供给进行波长复用，用于最大化所吸收的每单位体积或质量的能量供给。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述脉冲激光束以这种方式在空域上被脉冲化且被扫描，使得入射到同一激光照射体积上的每一激光脉冲之间的时间间隔长于沿材料中的横向或纵向的热扩散时间，以避免热积累和热诱发的损伤。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述脉冲持续时间在大约1和大约1000ps之间。
11.根据权利要求1到9中任一项所述的方法，包括在时域和谱域中对每一所述激光脉冲整形，以便减少所述激光照射体积中的消感应吸收和电离效应。
12.根据权利要求11所述的方法，其中如此对每一所述激光脉 冲整形，使得它们含有在每个激光脉冲后期发生的频谱漂移分量，所述频谱漂移分量在时间上对应于由于由所述激光脉冲造成的材料激发态发生和加热造成的动态漂移的材料吸收谱带。
13.根据权利要求11所述的方法，其中将每一所述激光脉冲整形成一串子脉冲，其中所述子脉冲之间的时间间隔大于所述激发态的热驰豫时间，且其中所述一串子脉冲的包络满足步骤ii)和iii)的所述脉冲持续时间要求。
14.根据权利要求1到10中任一项所述的方法，其中每一所述激光脉冲的波长被调谐到所述材料中存在的任何水吸收线。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述水吸收线与3400cm-1光谱区的OH对称拉伸和1650cm-1光谱区的OH弯曲运动中的至少一个相关。
16.根据权利要求1到10中任一项所述的方法，其中所述材料的被照射材料体积含有生物组织。
17.根据权利要求16所述的方法，其中每一所述激光脉冲的所述波长被调谐到对应于氨基化合物和磷酸盐吸收谱带的振动吸收线。
18.根据权利要求16所述的方法，包括用具有期望的分子或材料选择性的激光脉冲照射所述材料体积有效长度时间的步骤，以在所述的用所述脉冲激光束照射所述材料体积的步骤之前或同时产生期望的所述组织的性质改变。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述期望的组织的性质改变强化了所述烧蚀过程，所述期望的改变包括胶原原纤维或其他结缔组织的软化、熔化或断裂中的任一种。 
20.根据权利要求1到10中任一项所述的方法，其中所述材料从聚合物、半导体、金属、塑料、玻璃，或所述聚合物、半导体、金属、塑料、玻璃中的任两个或更多个的组合构成的组中选择。
21.根据权利要求1到10的任一项所述的方法，包括对每一所述激光脉冲进行整形以使之具有基本平顶的空间分布，从而给出均匀的空间强度分布，以进一步使未达到烧蚀阈值的材料区域的加热最小化。
22.根据权利要求1到10中的任一项所述的方法，其中使用波导元件将每一所述激光脉冲提供到材料的所述被照射体积。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述波导元件是从由空心光纤、多孔光纤、光子晶体光纤和折射率有空间分布的光纤构成的组中选择的，且其中所述波导元件放置得距所述被照射材料体积足够近，使得从所述波导元件出射的所述激光脉冲处于强度分布大致为平顶的近场区中且在分布变成远场区特征之前被所述材料吸收。
24.一种用于对材料进行激光加工的设备，包括：
用于产生激光光脉冲的激光源，所述激光脉冲具有大约1.5和大约20微米之间的波长，且每一所述激光脉冲具有：
i)足够大的能量，使得在激光照射的材料体积中吸收的每一激光脉冲产生超过所述激光照射的材料体积中含有的材料的至少一种成分的汽化点的过热温度，
ii)满足脉冲热沉积要求的脉冲持续时间和波长，使得每一激光脉冲所具有的脉冲持续时间短于从所述激光照射的材料体积向外热扩散所需的时间且短于所述激光照射的材料体积的热驱动的膨胀所需的时间，以及
iii)所述脉冲持续时间足够长且所述脉冲能量足够低，使得每一 所述激光脉冲的峰值强度低于在所述材料中发生电离的阈值，
从而每一所述激光脉冲中所含的大部分能量将被转变为所述激光照射的材料体积中材料的烧蚀，任何残余能量不足以显著损伤所述激光照射的材料体积周围的区域。
25.根据权利要求24所述的设备，其中每一所述激光脉冲具有介于大约1和大约1000ps之间的脉冲持续时间。
26.根据权利要求24或25所述的设备，包括非线性光学晶体，且其中每一所述激光脉冲是由所述非线性光学晶体中的三波混频产生的。
27.根据权利要求24或25所述的设备，包括用于将所述激光脉冲提供到所述被照射的材料体积上的波导元件。
28.根据权利要求27所述的设备，其中所述波导元件是从由空心光纤、多孔光纤、光子晶体光纤和折射率有空间分布的光纤构成的组中选择的，且其中所述波导元件放置得距所述被照射的材料体积足够近，使得从所述波导元件出射的所述激光脉冲处于强度分布大致为平顶的近场区中且在分布变成远场区特征之前被所述材料吸收。
29.根据权利要求24或25所述的设备，包括脉冲整形装置，用于对每一所述激光脉冲整形以给出大致为平顶的强度分布。
30.根据权利要求24或25所述的设备，包括脉冲整形装置，用于在时域和谱域对每一所述激光脉冲整形，以便减小所述激光照射的材料体积中的消感应吸收和电离效应，并由此降低由于过量热或电离效应迁移到周围区域对周围材料造成的损伤。
31.根据权利要求30所述的设备，其中所述脉冲整形装置如此 对每一所述激光脉冲整形，使得它们含有在每个激光脉冲后期发生的频谱漂移分量，所述频谱漂移分量在时间上对应于由于由所述激光脉冲造成的材料成分激发态发生和加热造成的动态漂移的材料成分的吸收谱带。
32.根据权利要求30所述的设备，其中所述脉冲整形装置将每一所述激光脉冲整形成一串子脉冲，其中所述子脉冲之间的时间间隔大于所述激发态的热驰豫时间，且其中所述一串子脉冲的包络满足所述ii)和iii)的所述激光脉冲持续时间要求。
33.根据权利要求31所述的设备，其中所述脉冲整形装置这样对每一所述激光脉冲整形，使得它们含有在每个激光脉冲后期发生的频谱漂移分量，所述频谱漂移分量在时间上对应于所述被加工材料成分的动态漂移的吸收谱带。
34.根据权利要求24或25所述的设备，包括波长调谐装置，用于将每一所述激光脉冲的波长调谐到所述材料中存在的任何水合成分的水吸收线。
35.根据权利要求34所述的设备，其中所述波长调谐装置将所述激光脉冲波长调谐到3400cm-1光谱区的OH对称拉伸和1650cm-1光谱区的OH弯曲运动中的至少一个。
36.根据权利要求34所述的设备，其中所述波长调谐装置将每一所述激光脉冲的波长调谐到对应于氨基化合物和磷酸盐谱带的振动吸收线。
37.根据权利要求24或25所述的设备，其中所述材料为组织。
38.根据权利要求37所述的设备，其中所述组织是从由如下组 织构成的组中选择的：包括牙本质、釉质和牙龈组织的牙组织、角膜组织、皮肤组织、结缔组织、肌肉组织、血管组织、神经、泌尿组织、腺组织、内分泌组织和骨组织。
39.根据权利要求37所述的设备，其中所述组织选自所有人体器官的组织。 
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