CN102596123B - 用于处理材料的设备和对其进行操作的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光支持的材料加工设备，包括：提供脉冲激光束(16)的激光器(14)；测量装置(30、32、34、36、38)，用以获得所述激光束的基波功率的测量值以及通过倍频从所述激光束生成的至少一个高次谐波的功率的测量值；以及连接至所述测量装置的评测单元(22)，其被设计为根据测得的基波功率、测得的高次谐波的功率以及所述激光器(14)的设定辐射功率来检查所述激光束(16)的质量。通过计算测得的基波功率和测得的高次谐波的功率的商，可确定当前倍频的转换效率。所述当前倍频的转换效率是激光束(16)的波前和脉冲宽度的质量的估量。

Description

用于处理材料的设备和对其进行操作的方法

技术领域

本发明涉及一种利用脉冲激光束加工材料的设备。本发明进一步涉及一种操作这种材料加工设备的过程。

背景技术

原则上，本发明可应用于加工任意材料的激光系统的领域中。因此，待加工的材料可为没有生命的物质；不过其也可涉及有生命的物质，例如人眼的组织。

关于材料的加工，尤其是在可见光谱区域中是透明的那些材料的加工，所谓的飞秒激光系统正逐渐显现其重要性。在此方面，涉及产生脉冲宽度处于飞秒范围内的脉冲聚焦激光束的激光系统。这种飞秒激光系统例如在眼科激光手术中得以应用，其中它们通常出于在人眼的角膜组织中或其它组织区域中产生切口的目的而被采用。飞秒激光系统的有利方面在于它们适于产生任意指定的三维切口图形。

下面将简要地阐述关于借助于聚焦飞秒激光辐射对透明材料进行加工的主要的基本过程。凭借激光束在材料中的强聚焦以及由于材料对辐射的透明性，激光能量可被耦合到内部，而不会破坏焦点上方辐射所通过的材料(例如角膜组织)。在焦点处发生的过程被称为光离解。在焦点处，微等离子体发生的阈值由于高强度的辐射而被超过。出现直径例如为大约1μm的极小球状材料的放射。结果，产生了具有稍大的例如大约5～12μm的直径的微泡，该微泡离开周围材料并随后完全扩散到环境中。由于每个激光脉冲作用的持续时间极短，因此不会发生热量到周围材料的传导；在等离子体消失之后，所有有效能量以及热量再次消散。

在传统的飞秒激光系统中，借助于扫描仪能够在横向上以及在纵向上对焦点进行控制。这里的“横向”是指与光束传播方向垂直的平面中的方向。另一方面，“纵向”是指沿激光束传播方向的方向。如果由于等离子体放电而产生的适当数量(例如几千个)的腔以期望的形状、立体地、一个置于另一个顶部地放置，则在材料中产生期望的切口。

上述过程要求具有高峰值强度的非常精确的焦点，以使切口具有期望的精度。不过，聚焦能力和峰值强度为高灵敏度的参数；在激光束的传播路径中的相对轻微的扰动就可破坏激光束的空间和时间质量，由此降低其聚焦能力和峰值强度。因此，在材料的加工过程中，期望能持续地(连续地或至少以时间间隔重复地)监控激光束的时间和空间质量。

发明内容

本发明的目的在于为能够监控用于加工材料的激光系统中的激光辐射的辐射质量而指明一种解决途径。这种监控旨在使得若辐射质量恶化，则可能中断加工过程或作出反应。具体地，该监控可能是实时的，即在材料的加工过程中监控。在这种情况下，辐射质量尤其涉及聚焦能力以及脉冲包络的时间级数(temporal progression)(单个激光脉冲的时间包络)，即脉冲宽度短的程度。聚焦能力主要由光束剖面的质量和激光辐射的波前的质量确定。

为了实现该目的，根据本发明的一个方面，提供一种材料加工设备，包括：提供脉冲激光束的激光器；测量装置，用以获得所述激光束的基波功率的测量值以及通过倍频从所述激光束生成的至少一个高次谐波的功率的测量值；被连接至所述测量装置的评测单元，所述评测单元被设计为根据测得的基波功率、测得的高次谐波的功率以及激光器的设定辐射功率来检查所述激光束的质量。

为了记录脉冲激光辐射(尤其是具有飞秒脉冲)的时间和/或空间辐射质量或为了记录这种质量的变化，本发明教示研究多个过程，其效率取决于所应用的聚焦激光辐射的强度。非线性混频过程，例如倍频，是这种过程的示例。在这种情况下，在适宜的配置下，激光辐射的一(小)部分被聚焦到光学非线性晶体中，并被转变为倍频辐射。如果假设激光器的激光辐射是红外波长，则辐射的被聚焦到晶体中的那部分被转变为例如绿光。由于倍频取决于入射功率的平方，因此这种过程的效率取决于在晶体中所应用的功率密度(空间和时间上)，并由此取决于激光辐射的聚焦能力和脉冲宽度。因此，就其它影响参数可被排除的程度来说，可将倍频光的功率变化归因于聚焦能力和/或脉冲宽度的变化。这种变化可例如是由于激光辐射的波前破坏或由于脉冲宽度的变长而引起。

本发明发现监控可一起同时持续影响聚焦(即聚焦能力)的质量的所有那些参数通常是昂贵和困难的。相反，根据本发明的方法能够实现实时(也可以说是联机)简单的质量控制。影响聚焦产生的这些参数中任意一个一旦变差，这就可通过高次谐波的测量信号被检测到，并可采取适当的响应。关于材料加工设备的操作，哪个具体的参数是观察到的激光脉冲的聚焦能力恶化的原因可看作是无关紧要的。如果聚焦能力降低，则在特定的预定极限被超出之后尽可能快地停止加工是可取的。分别监控与聚焦的有效产生有关的且可使激光辐射的聚焦能力恶化的每一个激光器参数将需要巨大的付出。而且也确实难以实现对这些参数的单个的恶化作出即时且可靠的反应。相反，由本发明获得的与聚焦能力相关的所有激光器参数的简单联机监控的可能性产生了相当的优势，这是因为付出变小了些。

原则上，在本发明范围内也可采用高阶非线性过程；本发明的中心思想绝不限于倍频。然而，对于高阶过程，通常要求更高的辐射强度，这可能增加根据本发明的方案的复杂性。

光学倍频是3波混合的特殊情况，其中对于高磁场强度，由角频率为ω1和ω2的两个基波产生角频率为ω3＝ω1±ω2的第三个波(ω＝2πf)。在这种情况中，ω3＝ω1+ω2对应于和频混合，ω3＝ω1-ω2对应于差频混合。现在，如果在倍频ω1＝ω2的特殊情况下，则仅产生和频ω3＝2ω1＝2ω2。

在本发明的实际配置中，使激光辐射的一部分施加于光学非线性媒质(例如晶体)中。激光辐射被施加的部分优选地被聚焦到非线性媒质中。由于在焦点处的高强度，从而激发非线性媒质中的载何子振荡，这也包含被辐射的基波振荡(基波)的不同阶的谐波。在这种情况下，二次谐波构成了频率为基波的两倍且波长为基波的一半的倍频波。通过适当选择入射辐射射入非线性媒质中的方向或通过相对束传播的方向适当放置非线性媒质，则二次谐波的产生可优先于其它的频率。关于该过程的具体理论描述，可参照有关的专业文献；在这里可省略更为具体的阐述。

在上面的过程中，二次谐波的瞬时强度与基波的瞬时强度的平方成正比。在这种情况下，二次谐波的信号的电平主要由基波的峰值强度确定。所述峰值强度又取决于基波在焦点处的脉冲能量、光斑尺寸(束腰半径的平方)以及基波辐射的脉冲宽度。由于倍频的效率(转换效率)—其被定义为二次谐波在时间上的平均功率和基波辐射在时间上的平均功率的商—同样与基波功率成正比，并由此与基波辐射的峰值强度成正比，因此对于转换效率来说，保持了对基波辐射在焦点处的光斑尺寸以及基波辐射脉冲宽度的依赖。假设基波辐射的脉冲能量为常数，则转换效率的变化允许推断出时间和/或空间束质量(脉冲包络、束轮廓等)的变化和/或波前的形状变化以及由此可得出的聚焦能力的变化。

在本发明的优选配置中，作为光学非线性媒质使用的晶体的长度明显大于被聚焦到晶体中的基波辐射的瑞利长度。那么基波辐射的发射的轻微变化(焦平面在倍频晶体中的稍微偏移)几乎对二次谐波的强度信号不产生影响。

另外，基波辐射优选地被聚焦到焦距相对较短的晶体中，以降低相位匹配对方向和应用于晶体中的功率的频谱分布的依赖性。通过聚焦所施加的基波辐射，即使在基波辐射的入射辐射的方向发生轻微变化或基波辐射的媒质波长发生轻微变化的情况下，也可以始终存在可获得相位匹配的适合的辐射分量。因此，可获得相对较大的入射辐射的方向的角范围，由此可获得二次谐波的至少近似相同的强度信号。只要激光源在其说明书范围内操作，则其不会影响测量过程，或至少是仅稍微影响测量过程。

另一方面，如果脉冲宽度和/或聚焦能力例如由于基波辐射的波前畸变而变化，则这种作用得不到补偿；相反，其对转换效率具有直接影响。可通过将一个被污染的圆盘插入基波辐射的光路中来模拟例如波前畸变，在这种模拟中，基波功率在特定情况下被大部分或全部保存。由于微小平面波面更易辨别，因此可能不再能实现良好的聚焦，由于这个原因，倍频被严重减弱或甚至趋于停止。因此，二次谐波的功率变化与基波辐射的波前变化相关。因此，在激光系统中的波前畸变可通过监控二次谐波(或另外的高次谐波)的功率并通过该功率与参考功率的比较而被检测到，这优选表示为在给定基波功率下可最佳地实现的二次谐波的功率。这样，可相当灵敏和即时地，即实时地，检测到没有明显功率损耗的基波辐射的恶化的光束质量，并可在可检测到更多的功率降低之前相应地快速进行响应。

一种进行以实时监控由激光系统所提供的加工激光束的光束质量的示例性方法可包括：首先执行校准操作，在校准操作中激光器被设定为处于其可能的功率范围内的各个(额定)辐射功率，以及在每一个设定的辐射功率下，测量基波功率以及二次(或另一个高次)谐波的功率。在这种情况下，应当在激光系统的无干扰状态下执行校准操作以具有基波辐射的理想聚焦能力。这样，可确保基波功率的测量值以及高次谐波的功率的测量值表示最大或最佳值。这些最大值表示在给定情况中设定的辐射功率下最大可获得的基波的功率以及高次谐波的功率。

通过形成商(二次谐波的功率除以基波功率)，另外可确定指定给激光器的每一个设定的辐射功率的转换效率的值。

在校准操作的范围内获得的数据可例如以列表形式被存储在存储器中。

在接下来的材料加工过程中，再次连续或以时间间隔测量基波功率以及高次谐波的功率。于是可执行两个分开的检验步骤。在第一检验步骤中，可将测得的基波功率和参考值进行比较。该参考值是根据存储在存储器中且在校准操作的范围内所获得的数据。其表示在激光器的设定的辐射功率下基波功率的最佳值。如果测得的基波功率没有明显偏离该参考值或如果其处于关于该参考值的预定的容许极限范围内时，则这意味着至少不存在可明显削弱激光束的功率的缺陷。然而，如果存在大于预定的容许极限的偏离，则这可以作为触发预定的例如可包括警报指示的输出和/或激光器的关闭的警报响应或紧急响应的原因。

在第二检验步骤中，另外，可将高次谐波的测量功率与参考值进行比较和/或将转换效率(高次谐波的测量功率和测得的基波功率的商)与参考值进行比较。高次谐波的功率的参考值和转换效率的参考值也可以根据存储的校准数据来确定；它们分别表示在激光器的额定设定的辐射功率下，即在激光器的工作点下，高次谐波的功率和转换效率的期望值(最佳值)。如果该比较显示出偏离超出预定的极限，则可触发如之前所述的警报响应或紧急响应。另一方面，如果第一检验步骤和第二检验步骤(当然不必非按此顺序进行)显示没有不容许的偏离，则可允许输出激光束并可不受妨碍地继续材料加工设备的工作。

通过第二检验步骤，尤其可检测未造成激光束的功率衰减或仅造成轻微功率衰减但却造成明显的波前畸变的缺陷。在不期望的波前微扰的情况中，二次谐波的测量功率与最大功率之比可易于低至百分之几(例如低于15％)，这显示出二次谐波的功率是激光束的光束质量的良好指示。

依照根据本发明的材料加工设备的进一步优选的改进，至少一个高次谐波可包括二次谐波，激光束的脉冲宽度优选地处于飞秒范围内。

评测单元可被设计为将至少一个测得的功率值和/或从其导出的值(例如转换效率)与至少一个参考值比较，且根据测量值或导出值与参考值的偏离程度来引起预定的响应。在这种情况下，参考值可表示在激光器的设定的辐射功率下的基波功率的最大可得到的值、高次谐波的功率的最大可得到的值或倍频的转换效率的最大可得到的值。

评测单元可进一步被设计为从预先存储的信息中提取参考值，所述预先存储的信息被指定给激光器的多个不同设定的辐射功率、表示基波功率的参考值和/或高次谐波的功率的参考值和/或倍频的转换效率的参考值。可替代地或附加地，评测单元可被设计为根据高次谐波的测量功率和测得的基波功率来确定商，和/或根据高次谐波的测量功率和高次谐波的功率的参考值来确定商，且根据所确定的商来检查光束质量。

另外，该评测单元可为电子控制装置的一部分，所述电子控制装置被设计为以根据测量值或导出值与参考值之间的偏离程度来控制激光束的输出。例如，如果所确定的偏离处于预定的极限范围内，可允许激光束的输出，和/或如果所确定的偏离处于该极限之外，则可阻止激光束的输出。

所述测量装置可包括用于产生高次谐波的光学非线性媒质以及连接至该媒质的上游的聚焦单元，该聚焦单元用于将从激光束耦合出的部分光束聚焦到非线性媒质上。其可进一步被设计为测量从激光束耦合出的部分光束的功率，作为基波功率。

所述评测单元可为电子控制装置的一部分，所述电子控制装置被设计为在校准过程中接连设置激光器的多个不同的辐射功率，确定给激光器的每一个设定的辐射功率指定的基波功率的测量值和高次谐波的功率的测量值，以及在存储器中存储所确定的指定给激光器的各个辐射功率的测量值和/或从其导出的值。

根据又一个方面，本发明提供一种用于对利用脉冲激光束操作的材料加工设备进行操作的方法，尤其是对根据上述权利要求中任一项所述的材料加工设备进行操作的方法，包括：测量所述激光束的基波功率和通过倍频从所述激光束生成的至少一个高次谐波的功率，将至少一个测得的功率值和/或从其导出的值与至少一个参考值进行比较，根据测量值或导出值与参考值之间的偏离程度来引起预定的响应。

该方法可进一步包括在先执行校准过程，在校准过程中在提供激光束的激光器的多个不同的设定的辐射功率的情况下获得基波功率的测量值和高次谐波的功率的测量值，且所获得的测量值和/或从其导出的值被存储在存储器中，被指定给激光器的各个辐射功率，所述参考值从存储在存储器中的测量值和/或导出值获得。

预定的响应可包括光学和/或声学消息，和/或激光束的启动或关闭。此外，在利用激光束的材料加工过程中，可重复，尤其是以固定的时间间隔重复执行测量和比较步骤。这样，可以说，实时联机监控是可能的，监控频率取决于执行测量的时间间隔。在这方面，不存在本发明本身所预定的限制，即可与测量设备和可达到的计算能力所允许的频率进行测量。

附图说明

下面将以唯一的附图为基础更为详细地阐述本发明。图1示意性地示出了用于材料的激光加工的材料加工设备的示例性实施例。

具体实施方式

在所示的示例性例子中，总体上由10表示的材料加工设备用于人眼12的激光手术加工，以及例如用于在其中产生内角膜组织切口。材料加工设备10包括激光源14，激光源14产生脉冲宽度处于飞秒范围内的脉冲激光束16。激光源14例如包括光纤激光器。此外，材料加工设备10包括用于使激光束16聚焦到待加工的对象(这里为眼睛12)上的聚焦光学器件18。聚焦光学器件18例如由f-θ物镜构成。连接至聚焦光学器件18的上游的是扫描仪20，其用于激光束16的聚焦位置的横向和纵向控制。为了横向偏转，扫描仪20例如可包括一对受电流测定控制的镜或电控的偏转晶体。为了纵向聚焦控制，扫描仪20例如可包括影响激光束16的发散的光学元件，例如可沿光束传播方向纵向移置的透镜或折射率可变的液体透镜或可变形镜。应当理解的是，扫描仪20的负责激光束16的横向聚焦控制的部件和负责激光束16的纵向聚焦控制的部件可沿激光束16的传播方向置于不同位置。因此扫描仪20不一定是紧凑单元；其可以涉及多个扫描部件的分布式布置。

为了控制激光源14和扫描仪20，设置可按照存储在存储器24中的控制程序工作的微处理器辅助控制单元22。该控制程序包含用于限定待产生的切口几何形状的适合的控制参数(例如，采用激光脉冲的单独照射位置的坐标的形式)。

为了借助于激光束16产生细微、精确的切口，高的空间和时间光束质量是期望的。为了实时监控激光束16的光束质量，材料加工设备10具有使来自激光束16的两个部分光束16’、16”沿光束传播的方向耦合的装置，这些装置位于由扫描仪进行的横向偏转的上游。在所示的示例性例子中，这些装置包括两个串联布置在激光束16的光路上的半透分束镜26、28。第一功率计30用于测量部分光束16’的(时间上平均的)辐射功率。为此，功率计30例如包括光电二极管，且向控制单元22提供表示所测量的辐射功率，尤其是与其成比例的信号。根据本发明，由功率计30测得的功率对应于基波功率。

第二部分光束16”借助于聚焦透镜32被聚焦到光学非线性晶体34(或另外的非线性媒质)上，在光学非线性晶体34中，由于非线性过程，产生倍频光束16”’，随后借助于光带通滤波器36从倍频光束16”’中滤掉所有可能干扰下级路线的部分以及基波的残留。也可包括例如用于辐射检测的光电二极管的第二功率计38用于测量倍频光束16”’的(时间上平均的)功率，并向控制单元22提供表示测得的功率的信号。根据本发明，测得的倍频光束16”’的功率表示从基波生成的高次(这里指二次)谐波的功率。

由激光源14产生的激光束16的波长例如处于1000nm和1100nm之间的红外范围内。这样，由于在非线性晶体34中的倍频，产生绿色到黄绿色光束16”’。

控制单元22根据由功率计30、38所提供的测得的功率信号、通过将测得的光束16”’的功率除以测得的部分光束16’的功率来计算转换效率。

在存储器24中，具有由控制单元22在之前的校准过程中确定的额外保存的校准数据。该校准数据为在每种情况中激光器14的辐射功率的不同额定值指定关于部分光束16’的功率、倍频光束16”’的功率以及转换效率的参考值。激光器14的不同的辐射功率对应于不同的工作点。激光器14能够在辐射功率的一范围内工作；根据应用，控制单元22可设定激光器14的不同的工作点。例如，各个辐射功率由百分比值表示，该百分比值通过关于激光器14的最大可设置的辐射功率的百分比数字来定义相应的工作点。在每种情况中所存储的参考值与最佳情形有关，最佳情形即没有(至少没有明显的)不期望的激光束16的波前畸变和没有(至少没有明显的)不期望的激光束16沿其传播路径的功率衰减的无缺陷操作。因而，它们表示部分光束16’的功率、倍频光束16”’的功率以及转换效率的可能得到的最佳值。

控制单元22利用当前测量的关于部分光束16’和关于倍频光束16”’的功率值，以基于与存储在存储器24中的校准数据的比较来检查激光束16的光束质量。具体地，控制单元22检验所测得的部分光束16’的功率是否至少近似地对应于存储在存储器24中的关于在激光器14的相关工作点下基波功率的参考值。这样，控制单元22可检测到激光束16的与无缺陷情况相比较的不期望的功率衰减。

此外，控制单元22检验所测得的倍频光束16”’的功率是否至少近似地对应于存储的校准数据中包含的关于在激光器14的相关工作点下二次谐波的功率的参考值。可替代地或附加地，控制单元22检验计算得到的转换效率(计算为测得的光束16”’的功率和测得的部分光束16’的功率的商)是否至少近似地对应于在校准数据中包含的关于在激光器14的相关工作点下转换效率的参考值。关于符合存储的参考值检验测得的功率值或从其导出的转换效率例如可包括减法和/或商的形成。由于参考值指示在激光束16的最佳聚焦能力情况下在材料加工设备10的无缺陷操作中可实现的光学值，因此在测得的功率或计算得到的转换效率与参考值之间的任何可能的偏差为激光束16的不期望的功率衰减和/或不期望的波前畸变和/或脉冲宽度的不期望的变长。如果确定的偏差超出了预定的范围，则控制单元22可中断激光束16的输出。

上述校准过程可由控制单元22自动执行，例如每当材料加工设备10被打开或当用户输入执行校准的适当的开启指令时。在自动校准过程的范围内，控制单元22可接连设置激光器14的不同的工作点，并在存储器24中存储分别确定的基波功率和二次谐波的功率的测量值。

为了使第二部分光束16”聚焦，可使用例如衍射光学元件来代替透镜32。非线性媒质34可例如为周期极化晶体。晶体可被保持温度稳定，在这种情况下，可通过该温度使相位匹配最佳化。此外，依照本专业技术领域本身已知的非严格相位匹配的方法也可实现。

Claims (10)

1.一种使用脉冲基波激光束(16)加工材料的设备，该设备包括：

提供所述基波激光束(16)的激光器(14)；

测量装置(30、32、34、36、38)，用以获得所述基波激光束的基波功率的测量值以及通过倍频从所述基波激光束生成的至少一个高次谐波的功率的测量值，其中为了产生所述高次谐波，所述测量装置包括光学非线性媒质(34)以及布置在该媒质的上游的聚焦单元(32)，所述聚焦单元(32)用于将从所述基波激光束(16)耦合出的部分基波光束(16”)聚焦到所述非线性媒质上；

连接至所述测量装置的评测单元(22)，其被设计为根据测得的基波功率、测得的高次谐波的功率以及所述激光器(14)的设定辐射功率来检查所述基波激光束(16)的质量。

2.根据权利要求1所述的使用脉冲基波激光束加工材料的设备，其中所述至少一个高次谐波包括二次谐波。

3.根据权利要求1所述的使用脉冲基波激光束加工材料的设备，其中所述评测单元(22)被设计为将至少一个测得的功率值和/或从其导出的值与至少一个参考值进行比较，且根据测量值或导出值与参考值的偏离程度来引起预定的响应。

4.根据权利要求3所述的使用脉冲基波激光束加工材料的设备，其中所述参考值表示在所述激光器(14)的设定的辐射功率下的基波功率的最大可得到的值、所述高次谐波的功率的最大可得到的值，或所述倍频的转换效率的最大可得到的值。

5.根据权利要求3所述的使用脉冲基波激光束加工材料的设备，其中所述评测单元(22)被设计为从预先存储的参考信息中提取参考值，所述预先存储的参考信息被指定给所述激光器(14)的多个不同的设定的辐射功率、表示所述基波功率的参考值和/或所述高次谐波的功率的参考值和/或所述倍频的转换效率的参考值。

6.根据权利要求3所述的使用脉冲基波激光束加工材料的设备，其中所述评测单元(22)被设计为根据所测得的高次谐波的功率和根据所测得的基波功率确定商，和/或根据所测得的高次谐波的功率和根据高次谐波的功率的参考值确定商，以及根据所确定的商检查光束质量。

7.根据权利要求3所述的使用脉冲基波激光束加工材料的设备，其中所述评测单元(22)为电子控制装置的一部分，所述电子控制装置被设计为根据测量值或导出值与参考值之间的偏离程度来控制所述基波激光束的输出。

8.根据权利要求1所述的使用脉冲基波激光束加工材料的设备，其中所述测量装置被设计为测量从所述基波激光束(16)耦合出的部分基波光束(16’)的功率，作为基波功率。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的使用脉冲基波激光束加工材料的设备，其中所述评测单元(22)为电子控制装置的一部分，所述电子控制装置被设计为在校准过程中接连设置所述激光器(14)的多个不同的辐射功率，来确定指定给所述激光器(14)的每一个设定的辐射功率的、所述基波功率的测量值和所述高次谐波的功率的测量值，并在存储器中存储指定给所述激光器(14)的各个辐射功率的所确定的测量值和/或从其导出的值。

10.根据权利要求1所述的使用脉冲基波激光束加工材料的设备，其中所述基波激光束(16)的脉冲宽度处于飞秒范围内。