CN104703563A - 用于在透明材料内部进行激光切割的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于透明材料(23)的激光切割装置，所述激光切割装置构造成用于将激光(2)聚焦到材料(23)内部的多个预先确定的点处，其中所述点处于预先确定的基本上垂直于激光(2)的入射方向延伸的切割线或切割面(24)上，其中所述激光切割装置具有可被带入激光(2)的光路中和可从光路中被带出的用于模式转换(3)成具有螺旋相位波前(5)的激光的机构。

Description

用于在透明材料内部进行激光切割的装置

技术领域

本发明涉及一种用于透明材料的激光切割装置，所述激光切割装置构造成用于将激光聚焦到材料内的多个预先确定的点，其中所述点处于预先确定的基本上垂直于激光的入射方向延伸的切割线或切割面上。本发明还涉及一种用于对生物组织、尤其是活体的眼睛进行激光加工的装置。

背景技术

在激光材料加工时产生精细效果的前提是小能量的局部沉积。在对于激光透明的材料、例如玻璃、石英、水、未染色的身体组织或细胞，局部的能量沉积只可以通过以多光子电离和雪崩电离形式的导致形成等离子(材料中几乎自由的载流子，由电子和离子的混合物组成)的多光子过程进行。因为多光子过程的出现非线性地取决于激光强度，因此涉及所谓的“非线性的吸收”。并且由于等离子形成速率在由材料和激光参数决定的阈值以上极度强烈地增加，所述等离子形成过程在该参数范围也中称为“光学击穿”。

通过非线性吸收进行的精度极高的材料加工要求，能在空间上局部化地可重复地将小的能量可以输入(沉积)材料中。良好的空间的局部化主要通过激光脉冲借助于高的光圈/数值口径的无像差的光学系统实现的聚焦实现。

在透明材料内部进行切割时经常希望这样的切口分布，所述切口分布不是沿激光束的入射方向实现，而是与入射方向成预先确定的角度。通常切割甚至应垂直于或大致垂直于入射方向进行，以便产生平行或大致平行于透明介质表面定向的切口。通常不仅产生切割线，而是切口二维地沿切割面实现，所述切割面基本上平行于材料表面，以便分离材料层。这种情况例如在折射的角膜手术(Laser-in-situ-Keratomileusis，简称：LASIK)中出现。

用于真正的切口分布，将聚焦的激光脉冲并排地以点网格施加。在每个网格点(专业领域也称为：点)上产生等离子，所述等离子使焦点体积中的透明材料分解并且在能量密度足够大时引起产生空腔(或液体或生物组织中的瞬时的穴蚀气泡)的微爆。

相应有效的切割机制取决于网格点的距离和等离子的能量密度。所述能量密度由激光脉冲能量和发生光学击穿的材料相关的阈值确定，所述阈值本身取决于激光脉冲时长和激光波长以及激光束质量和聚焦的激光束的会聚角(数值口径/光圈)。在其他照射参数相同的情况下，等离子能量密度能通过激光脉冲能量的变化在大的范围内调节。

切割机制能够划分为两个类别，通常称为分解模式和分裂模式。

分解模式：如果产生小能量密度和电子密度的激光等离子，则自由的电子通过键断裂引起激光焦点中的材料的分解。这导致材料蒸发或材料分解。生物组织中的材料溶解例如导致产生具有寿命在毫秒至秒的范围的气泡，所述气泡虽然不有助于切割效果，但可以用作材料溶解的指示器。在焦点体积和充分大的密度的键断裂重叠的情况下可以由此产生连续的切口。尽管单脉冲能量小，连续的材料层的分解要求大量激光脉冲的积累作用并且因此要求相对高的总能量。

分裂模式：在分裂模式中，焦点的网格中的横向的距离D选择得大于焦点直径d并且为通常为大约6-10微米。在这里连续的切口只可以通过等离子的微爆作用和由等离子产生的瞬时的空腔(穴蚀气泡)的共同成长产生。用于产生空腔，需要具有比用于分解模式高的能量密度的等离子。在具有层状的结构的材料(例如眼睛的角膜基质)中，空腔易于共同成长成切口。因此切割过程是通过激光产生的穴蚀气泡的膨胀驱动的优选沿机械的薄弱位置延伸的分裂过程。与此类似的是石板基于局部的机械作用的分裂或利用斧沿纤维方向劈开无枝杈的木材。虽然产生微爆需要的单脉冲能量在分裂模式中大于在分解模式中，需要的总能量通常较小，因为不需要改变连续的材料层的聚集状态，而是材料沿薄弱位置进行机械分开并且因此需要较小数量的单脉冲。材料损耗与此对应同样小于在分解模式中的情况。

在两种切割机制中，切割精度决定性地通过激光等离子的长度确定，所述长度本身取决于激光焦点长度。焦点直径d和焦点长度l在完全利用切割物镜的口径的情况下如下给出：

$d=1.22\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}---\left(1\right)$

$l=4\frac{d^2}{\mathrm{\λ}}\≈6\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{NA}}^2}---\left(2\right)$

在这里λ表示所使用的激光的波长，而NA表示切割物镜的数值口径，该数值口径与一半的张角α通过NA＝nsinα关联(n是光聚焦到其中的介质的折射率)。在等离子形成的阈值时，等离子长度具有与焦点长度l类似的大小并且在激光脉冲能量提高时增加。切割精度通过切口沿光束方向的可局部化性和切口宽度确定，这两者与等离子长度关联。由方程(2)可看出，当数值口径提高或波长λ减少时，切割精度增加。

目前在市场上对于折射的角膜手术可获得的飞秒激光系统以1030nm和1060nm之间的近红外波长工作。在这些系统中，切割精度的提高主要通过放大NA争取达到。备选也考虑使用紫外激光辐射。相对于红外飞秒脉冲缩短至大约1/3的波长在此按照方程(2)导致切割精度的显著改善。

文献EP 1 787 607 A1提出使用具有大约190nm和380nm之间的波长的脉冲的紫外光用于LASIK治疗，其中紫外脉冲借助倍频由红外飞秒脉冲产生并且具有直到最大10ps的脉冲时长。EP 1 787 607 A1的作者从如下事实出发，即，具有大约10nJ的脉冲能量以及100和500kHz之间的重复频率的紫外脉冲一方面导致角膜组织中的精确切口并且另一方面几乎完全在角膜或晶状体中吸收。由于剩余传输出现的到视网膜中的能量输入实际上看为被排除。当然值得注意的是，没有提及作为不希望的副作用UV入射区域中的组织的光化学的变化。

由文献DE 10 2007 028 042 B3给出，利用在时间上平滑的紫外纳秒脉冲可以对进行透明材料非常精细的激光加工。尤其是具有355nm的波长和0.7ns的脉冲时长的激光脉冲可以用于在角膜中产生LASIK上皮瓣，其中在分裂模式中进行切割(Vogel A,Linz N,Freidank S,Faust S,Schwed S(2011b)LASIK Flaperzeugung mit UVSubnanosekundenpulsen.Der Augenspiegel 12,2011:32-35)。该措施的优点在于利用纤维加强的微芯片激光器直接产生UV激光的可能性，其中可看到用于降低成本的显著潜力。此外在使用纳秒脉冲时由于较小的最大功率，比飞秒脉冲可较好地避免非线性的传播效应和成丝。

由US 2005/245915 A1给出一种用于利用红外飞秒脉冲激光器沿活体的眼睛的角膜基质组织中的拱顶形的切割面实施切割的方法。切割面基本上平行于角膜表面并且同时基本上垂直于激光束的入射方向。预先确定在切割面上的焦点位置的网格，其中在每个所述点中应该产生具有预先确定的直径的气泡。激光焦点直径因此小于或等于气泡直径。点垂直于入射方向彼此应具有大致对应于气泡直径的最近邻距离。基于从中可看到的内容，激光切割以开头所述分裂模式而不以分解模式进行。

按照例如US 2005/245915 A1的点网格与按照DE 10 2007 028 042B3的紫外加工激光的组合用于取得较精确的、尤其是沿入射方向较准确的定位的面切割确实被证实也成功地正好用于加工生物组织。但UV激光器的显著减少的焦点直径在单脉冲能量恒定的情况下要求较高的网格点密度，并且因此面切割的要沉积的总能量显著高于在使用红外飞秒脉冲激光器时。特别是对于活体的组织由此产生剂量问题，因为可能的UV诱导的光化学的副作用的程度按照Bunsen和Roscoe的互反律是以总照射剂量(J/cm²)标度的。

在同时光机械的副作用最小的情况下，高的切割速度和切割精度一般来说是彼此冲突的目标，并且在使用UV激光器时还要考虑光化学副作用的最小化。高的切割速度除了高的激光脉冲重复频率之外也要求大的网格点距离。如果网格点距离加大，则这同时有利于减少总切割能量并且因此避免光化学的效果。然而如果网格点距离选择过大，则必须这样强烈地提高单脉冲能量，以至于牺牲切割精度并且由于激光产生的冲击波和穴蚀气泡的机械作用导致的可能的副作用的程度显著增加。当在网格点距离恒定时焦点直径明显减小时，出现相同的不利效果：现在必须提高单脉冲能量，以便将分裂距离扩大到需要的程度。

在这种背景下可以希望找到针对激光焦点或产生的等离子的成形的改善可能性。

现有技术已经认识到用于在透明介质中进行的激光材料加工的焦点成形的方法。所述方法的目的通常在于焦点延长，如果可能甚至伴随横向直径的减少：例如代替高斯光束使用贝赛尔光束，以便产生相对于高斯光束强烈延长的焦点区域(McGloin D,Dholakia K(2005)Bessel beams:Diffraction in a new light.Contemp.Phys.46:15-28)。贝赛尔光束在这里适合于优化沿激光的入射方向的切口分布，例如在LASIK瓣形成中进行边缘切割时。

提高等离子长度的附加可能性通过非线性的光束传播(通过产生的等离子的自聚焦)和透明介质的成丝得到。其用于产生伸长的激光效果、具有大的宽高比的钻孔和通道(Ashkenasi D,Varel H,RosenfeldA,Henz S,Herrmann J,Cambell EEB(1998)Application ofself-focusing of ps laser pulses for three-dimensional microstructuringof transparent materials.Appl.Phys.Lett.72:1442-1444)。

如果使用高功率的激光脉冲并且切割方向基本上垂直于激光束方向延伸，则通常应尽可能避免通过非线性的光束传播和成丝实现的焦点延长。对于飞秒LASIK，由于焦点延长对切割引导的干扰已经有所记载(Arnold CL,Heisterkamp A.Ertmer W,Lubatschowski H(2004)Streak formation as side effect of optical breakdown duringprocessing the bulk of transparent Kerr media with ultra-short laserpulses.Appl.Phys.B 80:247-253)。

所谓的涡流光束在聚焦角相同时具有比高斯光束大的焦点横截面。由此其具有比高斯光束至少高4倍的自聚焦阈值(Vuong LT et al.(2006)Collapse of optical vortices.Phys.Rev.Lett 96:133901(4pp))。名称“涡流光束”因此是指，在光轴上的强度分布具有零位并且可以将这种奇点/特异性理解为电磁场的旋涡。光的拉盖儿-高斯(LG)传播模式具有这种特性，其中基本模式用LG(0,1)表示(Yao and Padgett,“Orbital angular momentum:origins,behavior and applications”,Advances in Optics and Photonics 3,161–204(2011))。

LG模式构成一个完整的模式组，按照这些模式可以产生具有螺旋相位波前(“helically phased beams”)的光。各个螺旋的光子在此带有角动量。螺旋激光可以由非螺旋激光(通常：高斯光束，但不限于此)产生，如果通过螺旋相移片(“spiral phase plate”)、特殊构成的计算机生成的衍射光栅(“diffractive optical element”，经常也称为“subwavelength structure”)、可电子操控的空间光调制器(“spatiallight modulator”)或柱面透镜装置发射非螺旋光束(Yao and Padgett,“Orbital angular momentum:origins,behavior and applications”,Advances in Optics and Photonics 3,161–204(2011))。但上面提到的用于从非螺旋的激光到螺旋激光的模式转换的这种或者难以制造，只适用于有限的激光功率(例如塑料的相移片和衍射光栅构造成结构化的金属镀层或液晶组成的阵列)，或者对非螺旋光提出了传统的用于材料加工的激光源无法满足的要求(例如出现确定的较高(阶)的高斯模式)。

用于大功率激光应用场合的高效的模式转换目前可以通过由石英玻璃或其他耐光的双折射的材料制成的螺旋相移片实现(Machavariani G,Lumer Y,Moshe I,Meir A,Jackel S(2007)Efficient extracavity generation of radially and azimuthally polarizedlaser beams.Opt.Lett.32:1468-1470)。

通过光学的构件实现理想地转换到拉盖儿-高斯基本模式LG(0、1)中，所述构件产生在围绕光轴旋转360度时连续从零升高到2π的相位偏移。但这中的具有连续的相位偏移的构件还不能够由能承受非常高的激光功率的材料制造。

理想情况因此通过使用分段的相移片逼近，其中部段的数量越高，则越好地且以越高的效率实现所述逼近。通过连接于下游的空间频率滤波能够除去在扇区边界上散射的光并且产生非常接近理想的拉盖儿-高斯(0、1)模式的焦点的强度分布(Machavariani等2007)。

作为其他现有技术要提到Junichi Hamazaki等的工作“Optical-vortex laser ablation”,OPTICS EXPRESS,Bd.18,Nr.3,S.2144ff.(2010。Hamazaki等研究了以单激光脉冲在钽板上的激光烧蚀，所述单激光脉冲在加工平面中具有环形的(“annular”)光强分布。为此高斯激光通过螺旋相移片转换成涡流光束，或者通过空间陷波滤波器(SNF)控制，这导致“非涡流环状光束(nonvertex annular beam)”(NVAB)。两种光束类型用于材料去除，并且对于这些情况比较所实现的加工表面质量。涡流光束被证明有利于固体上的激光烧蚀。

但在Hamazaki等人的研究中通过激光实现的能量输入通过固体表面上的线性吸收而不是通过明显位于加工平面后面的激光焦点实现。即只在焦平面前面的菲涅尔衍射图像中得到NVAB的环形的强度分布，而不是在远场衍射图像中。这里最大强度处于光斑的中心并且由于点直径较小光强总体上高许多。作者在2146页第3段中解释了原因：“由于NVAB不是傍轴方程的一个本征解，中心的暗点在焦平面中消失”。

由于由在该文献中所述的在烧蚀时涡流光束的优点还不能得出关于在激光焦点中进行材料加工的结论、尤其是不能得出关于在透明材料内部进行切割引导的结论。

由US 2008/243108 A1给出用于光凝或用于虹膜切开术的激光治疗系统，其为了在同时可选择在要治疗的组织上的点直径的情况下提供具有均匀的(“top-hat”)或略微呈环形的强度分布的光束轮廓的目的公开包括多个衍射光学元件(“diffraction optical elements”，DOE)的附加装置。DOE在此理解为这样的衍射结构，所述衍射结构借助干涉使事先扩张并对准的激光束成形。当所有的DOE设置在可旋转的盘的边缘区域中时，它们可以根据用户的选择例如通过电操控的步进马达例如摆入或摆出高斯激光束的光路。在这里能量输入也通过线性的吸收进行，并且加工平面不与焦平面重合。

US 2008/243108 A1的装置基本上不适于在透明材料内部进行激光切割，因为通过DOE实现的光束成形导致沿光束方向可变的光束轮廓(如也在Hamazaki等的NVAB中那样)。不能确保最高强度的位置位于焦平面中，而是必须考虑到强度较高的区域(“hot spots”)可能位于焦平面之前和/或之后，这与在预先确定的深度实现精确的切割引导的意图矛盾。没有在焦平面外的“热点(hot spots)”的光分布只能够以如下光传播模式实现，其中光束轮廓沿传播方向保持恒定。高斯或拉盖儿-高斯模式就属于这种情况，但通过DOE产生的光分布不属于。

按照US 2005/245915 A1的教导的用于透明材料的激光切割装置被看作是最接近的现有技术，其尤其是构成用于使激光透明材料的内部聚焦并且通过多光子过程在应进行材料加工的激光焦点处形成等离子。

发明内容

本发明的任务是，这样来改进用于透明材料的激光切割装置，使得与现有技术所要求的相比所述激光切割装置以更少的网格点或更小的总能量剂量实现在材料内部沿基本上垂直于激光的入射方向延伸的切割线或切割面精确地完成激光切割并且由此避免光化学的和光机械的副作用。

该任务通过一种用于透明材料的激光切割装置解决，所述激光切割装置构造成用于将激光聚焦到材料内部的多个预先确定的点中，其中所述点位于预先确定的基本上垂直于激光的入射方向延伸的切割线或切割面上，其特征在于，所述激光切割装置具有可置入激光的光路中和可取出的用于模式转换成具有螺旋相位波前的激光的机构。

从属权利要求给出有利的实施形式。

据发明人所知，至今还未提出，将具有螺旋相位波前(在专业领域简称：螺旋激光)的激光用于在透明材料中实施切割。至少发明人并不知晓将螺旋激光在医学疗法、尤其是眼睛的激光治疗中使用的建议。

螺旋激光总是具有光学的旋涡，因此是典型的涡流光束。属于其对于本发明作为显著识别的特性的是，螺旋激光束的聚焦导致环面形的光强分布并且因此导致等离子产生的同样环面形的区域，所述区域大于高斯光束的焦点横截面。

方位角偏振的激光束在焦点区域中的强度分布与线性偏振的激光束的焦点区域对比的示例(用于螺旋激光的示例)从图1得出(来自Hao X,Kuang C,Wang T,LiuX(2010)Effects of polarization on thede-excitation dark focal spot in STED microscopy.J.Opt.12:115707(8pp))。可看出焦点直径相对于线性偏振光束的值以大约2-3倍加大，反之焦点长度基本上保持不变。

本发明的基本思想是，涡流光束适于，在焦点长度大致相同的同时产生相对于线性偏振的高斯光束至少加倍的焦点直径并且因此允许较大的点距离，而不必提高单脉冲能量。这提高了切割速度并且避免了不利的机械副作用，以及在采用UV激光束加工活体的组织的情况下，避免超过可容忍的辐射剂量。

如已知的可能的是，制造这样的光学元件，所述光学元件被带入常规的线性偏振的高斯光束的光路中，以构成涡流光束(例如具有方位角的偏振)。这种下面称为用于模式转换成螺旋激光的机构(或简称为：用于模式转换的机构)的光学元件按照本发明这样设置在所述装置中，使得所述机构可以根据需要被带入激光的光路中和带出。以这种方式按照用户选择可以给激光切割装置提供多个焦点形状。

常规的加工激光束(例如高斯光束)因此可以在使用期间优选通过摆入(光路)分段的相移片非常容易地转变成涡流光束，这直接至少导致激光焦点直径的加倍。利用现在加宽的焦点，可以在切割线或切割面的预先确定的网格点中实现材料分解，所述切割线或切割面基本上垂直于入射方向，因此基本上沿所实现的焦点加宽的方向。在完成激光切割之后，涡流光束现在可以通过使相移片摆出而再次转化成正常光束。

备选地，可以通过至少一个可操控的转向镜使加工激光束转向，其中所述至少一个转向镜根据对其的操控引导激光的光路通过模式转换的机构或在其旁边经过。

按照本发明，能摆入和摆出光路的用于模式转换的机构对于任意激光波长都以如下方式有利于实现基本上垂直于入射方向的切割的可实施性，即，通过扩大焦点直径不仅在分解模式中而且在分裂模式中需要较少的用于实施切割的网格点，这原则上提高了切割速度。

本发明对于UV激光器是非常有利的，特别是当所述UV激光器用于切割活体的组织时。特别优选地，利用本发明也可以以300nm和400nm之间的波长对活体的眼睛进行激光加工，其中同时可以优化辐射剂量，但可以至少将其保持在预定的阈值之下。

本发明另一种有利的应用在于在LASIK瓣形成和在以超短波的IR激光脉冲的晶状体残片中抑制由于非线性的光束传播导致的可能的焦点延长。对于晶状体碎片使用聚焦较弱的高能的激光脉冲，从而在这里存在特别高的成丝倾向。在使用涡流光束时聚焦阈值至少四倍的提高导致沿轴向方向的能量沉积较好的可局部化性，并因此实现对晶状体胶囊的保护和避免在视网膜上的辐射剂量的局部最大值。

此外按照本发明的激光切割装置的有利的设计是，所述激光切割装置具有用于确定单位面积照射剂量的设备，所述设备检测激光源的照射参数和预先确定的点位置，由此计算出剂量值并且将其输出。在激光切割装置的一种此外优选的设计中，所述用于确定单位面积的照射剂量的设备构成用于，在计算出超过预定的阈值的剂量值时，自动改变激光源的照射参数和/或预先确定具有较大点距离的点位置。这样的设备可以是可编程的微处理器、优选是PC，其装备有用于与扫描器的控制设备和必要时与激光源数据交换的接口。常见的是，单独的计算机系统监控和控制激光切割系统的所有构件的功能。在这样的计算机系统中，所述用于确定照射剂量的设备可以以集成软件的形式实现。

应该在这里强调，本发明虽然具有较宽的应用范围，但其特别有利地应用在激光临床角膜磨镶术(Laser-in-situ-Keratomileusis)(LASIK)、通过切割晶状体的去瓣折射校正、片状的角膜移植术和/或激光白内障手术中。此外本发明也可以看为将UV激光系统导入折射的眼手术中的关键设计，因为其提供了剂量问题的解决方案。

附图说明

下面借助附图更准确地解释本发明。

其中：

图1示出线性(上)(a)和方位角(下)(b)偏振的激光辐射的焦点形状的对照；

图2示出分段的相移片的草图，所述相移片作为可能的用于模式转换的机构可以被带入激光的光路中；

图3示出相对于使用的点距离记录的在去核的猪眼中在以UV激光系统的成功的切割引导时激光能量的测量值，尤其是单脉冲能量(上)(a)和总剂量(下)(b)；

图4示出片层状的材料借助到a)棒形的和b)盘形的激光焦点处的激光沉积而分裂的草图；

图5示出按照本发明的装置的示意图，包括a)可摆入(光路)的用于模式转换的机构和b)用于选择光路的可操控的转向镜。

具体实施方式

如已经解释的，将用于模式转换的机构带入具有例如高斯光束轮廓的线性偏振的激光束中使得产生涡流光束(在这里：带有方位角的偏振)。如果所述涡流光束聚焦到透明材料中，则这样形成如在图1中在下面示出的螺旋管形的焦点体积。入射方向在这里沿z轴分布。为了进行对比，在图1中在上面示出在没有置于光束中的光学元件的情况下激光的焦点(所有图像选自Hao等人(2010)的文献)。两个右边的图像示出xz平面并因此沿z方向的焦点长度，所述焦点长度在高斯光束和在涡流光束中区别并不明显。而由两个左边的图像在垂直于入射方向的xy平面中可良好看出，在涡流光束中的焦点直径不止增加一倍。在涡流光束中心的独特性/特异性对于切割作用通常并不中央。材料在那里也分解或至少分裂，从而所述材料在盘状或片状的体积中被破坏。出于这个原因，这里也涉及一种盘形的激光焦点。

盘形的焦点可以非常简单地通过引入光学元件产生。例如可以使用优选由在各个部段中具有晶体光轴的分别不同的取向的双折射的石英玻璃构成的分段的相移片(图2)。晶体中的较慢的光传播方向的取向分别通过图2中的箭头方向指示。

在此要说明，各个部段相互粘接，并且胶粘剂在紫外光的作用下可能降解。因此用于功率非常高的短脉冲UV激光辐射的分段的相移片还在开发中。然而发明人在实验室中对于紫外线耐久性进行首次测试有成功希望：

对于由于UV降解在胶粘剂层中造成的可见的损害确定了大约3×10⁶(3百万)J/cm²的损害阈值。如果假设，在计划的应用中以约10μJ的单脉冲对模式转换器的10mm直径的面进行均匀的照射，则在达到该阈值之前能施加大约2.4×10¹¹个脉冲，这在150kHz的重复频率时对应于大约440小时的寿命。

在用于LASIK瓣形成的临床仪器中，可以通过在激光输出上的光闸确保，相移片的受载时间与眼睛的照射时间相同。因为每个眼睛平均的切割时间处于30s以下，在相移片预期的使用寿命内能治疗52800只眼睛。在每个病人两只眼睛的大约15分钟的治疗时间中，在大约5年之后才必须更换相移片。

据发明人所知，目前为止还未提出，给用于透明材料的激光切割装置装备通过螺旋激光有意地加宽的焦点。本领域技术人员也不容易想到这点，因为这使得通常希望的横向的切割精度恶化。但在沿基本上垂直于入射方向取向的线或面的切割引导中，并不看重横向的切割精度，而主要看重轴向的切割精度。后者通过本发明甚至改善，因为通过减少要克服的分裂距离，切割引导更好地在切割平面的区域中保持局部化。

下面考虑的内容应说明通过螺旋激光和借此可产生的盘形的激光焦点在总照射剂量和切割精度方面实现的优点：

在分解模式的切割中，点距离D小于焦点直径d，反之所述点距离在分裂模式中较大。因此在分解模式中的切割与分裂模式中的切割之间的转换中，在施用激光脉冲时产生的切割面的半径刚好等于焦点直径d/2的一半。对于焦点距离D>d，必须分别通过分裂克服距离(D/2–d/2)＝(D-d)/2。为此所需的机械功通过激光诱导的冲击波和穴蚀气泡的能量施加。切割面元素需要的激光能量E_ges在此取决于D和单脉冲能量E_L。在脉冲能量E_L恒定时适用的是

$E_{\mathrm{ges}}\∝\frac{1}{D^2},---\left(3\right)$

因为每个面元素的激光脉冲的数量随着D的平方减小。但实际上脉冲能量不是常数，而是必须这样选择脉冲能量，使得所述脉冲能力产生大小足够的气泡，以便通过分裂可靠地桥接相邻的网格点之间的距离。分裂可能的作用范围可以通过气泡的最大半径R_max估算，其中为了实现可靠的分裂，该半径应始终以确定的系数k>1大于的网格点距离一半：

R_max＝k×D/2   (4)

现有技术认识到激光脉冲能量E_L与在水中产生的穴蚀气泡的最大半径之间的如下关系：

R_max∝(E_L-E_c)^1/3，   (5a)

其中E_c是在达到等离子形成阈值之前在激光脉冲期间通过焦点发射的能量值。在阈值附近，根据(5a)，R_max首先迅速随E_L增加，而对于明显高于等离子形成阈值的脉冲能量这种增加减慢，因为E_L>>E_c并且因此近似地有

R_max∝E_L ^1/3   (5b)

虽然对于角膜组织中切割动力学的细节的研究还较少，但方程(5b)中R_max和E_L之间的弱相关性已经指出，在大的网格点距离D>>d时要求明显增加单脉冲能量，以便通过分裂克服增长的距离(D-d)/2。在焦点直径d相对于点距离D小到可忽略不计的极端情况下，最后连同方程(4)和(5b)适用的是：

E_L∝D³，   (6)

D的增大在网格点距离的值小时由于每个面元素减少的脉冲数首先导致用于切割需要的总能量的明显减少，即方程(3)主导相关性E_ges(D)。在网格点距离较大时，需要的单脉冲能量的增加基本上补偿了脉冲数减少的效果。在还较大的网格点距离时期待，按照方程(6)所需的单脉冲能量的增加最终相对于按照方程(3)脉冲数减少的效果占主导并且需要的总切割能量甚至随着D增加。

对去核的猪眼的实验表明了前述的情况。图3分别根据点距离示出对于多个在不同的数值口径(NA)时成功地实施的激光切割需要的单脉冲能量(上)和总照射剂量(下)。在点距离从3μm过渡到12μm时，必须使需要的脉冲能量增加至约三倍，而仍能够同时将总辐射剂量减少至大约六分之一。但还已经认识到，总剂量通过进一步放大点距离在同时提高脉冲能量的情况下不再能够减少。但这时要考虑到在点的周围可能出现较强的副作用。

在网格点距离D恒定时，焦点直径d通过按照本发明的装置可实现的扩大现在减小了要克服的分裂距离(D-d)/2并且因此减少了所需的必须通过冲击波和穴蚀气泡施加的机械切割功。如果焦点直径例如从1μm扩大到3μm，则通过等离子中的分解切割的面积提高至九倍。在网格点距离为6μm时，这对应于通过分解切割的面积份额的明显提高。其从仅大约1/46升高到大约1/5。

盘形的焦点尤其是在片层状的结构、如角膜中有助于实现沿层方向的分裂，因为通过在等离子和气泡膨胀中的力分布，所述层相对于彼此滑动并且通过焦点盘的定向规定了分裂的优选方向和优选平面。图4的草图应示出在能量沉积到a)盘形的激光焦点和b)棒形的焦点处之后角膜瓣的分裂。在此箭头表示从焦点出发的力作用的方向。可以容易地看出，盘形的焦点比棒形的焦点更好地辅助薄层彼此的分离。材料通过施用螺旋激光脉冲实现的横向分裂因此对于每个单独的点具有较大的作用范围并且因此允许以较少的网格点进行切割。此外改善了轴向的切割精度，因为通过减少要克服的分裂距离，切割引导在切割平面的区域中更好地保持局部化。

最后在图5中以草图示出按照本发明的激光切割装置的两个实施例。

在图5a)和b)中分别示出发射脉冲的激光束2的激光器1。激光束2的波长可以是紫外或红外的，或者来自VIS光谱，优选处于大约300和1100nm之间。在本发明的一种特别优选的设计中，激光器1是具有300和400nm之间的波长的UV激光器。

在现有技术中，脉冲的激光束2被引导到转向单元20(Scanner)，所述转向单元使激光束2转向到预先确定的方向中。转向的激光束通过扩束望远镜21扩张并且通过切割物镜22聚焦到透明材料23的样品中。激光焦点在此位于预先确定的切割线或切割面24上的预先确定的点处。控制单元30可以操控激光源1和转向单元20，以便改变照射参数和/或以便尤其是预先确定在切割线或切割面24上的激光焦点(点)的另一个位置。控制单元30通常程序控制地工作，即其通常具有可编程的计算单元、例如PC。

相对于现有技术新的还有，可带入和可带出脉冲的激光束2的光路中的用于模式转换3的机构，在通过所述机构使脉冲的激光束2转换成具有螺旋相位波前5的脉冲的激光束。作为用于模式转换的机构适合的是螺旋相移片，其中对于大功率应用场合，目前分段的螺旋相移片可供使用，所述螺旋相移片由具有不同取向的光轴的双折射的部段组成(参考图2)。

对于本发明不是强制必需的，但在利用分段的相移片时非常有利的是，在相移片的下游将空间滤波器(亦或：空间频率滤波器)4设置在光路中。特别是在部段边界上由此从脉冲的螺旋激光束5中去除不希望地散射的激光。用于“光束净化”的空间滤波本身对于激光技术领域的技术人员是已知的。

按照图5a)，用于模式转换3的机构和空间滤波器4共同通过移动摆入和摆出光路，这通过垂直的双箭头表示。摆动过程在此包括用于模式转换3的机构和空间滤波器4的任意类型的机械运动，所述机械运动在至少一个最终位置中导致与激光束方向同轴的定向。如果用于模式转换3的机构和空间滤波器4被带入上述最终位置中(摆入光路中)，则进行脉冲的激光束2转换成具有螺旋相位波前5的脉冲的激光束。在构件3和4被移出之后，则代替5重新提供激光束2。

机械地可被带入和可被带出的用于模式转换3的机构和空间滤波器4在技术上简单且经济，但不是一定适于以短的时间间隔从正常的激光束2快速变换至螺旋激光束5或相反。

因此备选地在图5b)中示出，代替现在固定的用于模式转换3的机构和同样固定的空间滤波器4通过镜6、7、8、9使激光2的光路换向。在此镜7和8固定，而镜6和9可摆动或可翻转。由于未示出的操控，用户可以通过选择镜6和9的镜位置决定，脉冲的激光束2是否应经过用于模式转换3的机构和空间滤波器4并转化成脉冲的螺旋激光束5，或是否引导所述脉冲的激光束在用于模式转换3的机构和空间滤波器4旁边经过。

最后要提到，在上面所述的用于确定照射剂量的设备优选作为软件模块(例如可选择的子程序)集成在控制单元30的程序中。这时照射参数和可选择的点网格在实施照射之前已经可供所述设备使用。所述设备可以根据预先计算的照射剂量输出剂量值或激活报警指示，如果计算的剂量值超过预先确定的阈值的话。

在本发明的一种优选的设计中，软件模块使得，在预调节激光参数时，可能导致每个单位面积的超越预先确定的阈值的照射剂量的孔眼非常紧密的点网格甚至不再能选择或仅通过用户专门释放才可以被激活。

附图标记列表

1     激光器

2     脉冲的激光束

3     用于模式转换的机构

4     用于“光束净化”的空间滤波器

5     具有螺旋相位波前的脉冲的激光束

6、9  可翻转的镜

7、8  镜

20    转向单元

21    扩束望远镜

22    切割物镜

23    透明材料的样品，例如角膜

24    切割线或切割面

30    控制单元

Claims (8)

1.一种用于透明材料(23)的激光切割装置，所述激光切割装置构造成，用于将激光(2)聚焦到材料(23)内部的多个预先确定的点处，其中所述点位于预先确定的、基本上垂直于激光(2)的入射方向延伸的切割线或切割面(24)上，其特征在于，所述激光切割装置具有能被带入和能被带出激光(2)的光路的机构，所述机构用于模式转换(3)成具有螺旋相位波前(5)的激光。

2.按照权利要求1所述的激光切割装置，其特征在于，所述用于模式转换(3)的机构具有螺旋的相移片。

3.按照权利要求2所述的激光切割装置，其特征在于，所述螺旋的相移片由分别具有不同取向的光轴的双折射的部段组成。

4.按照上述权利要求之一所述的激光切割装置，其特征在于，所述用于模式转换(3)的机构能摆入光路中以及能从光路中摆出。

5.按照上述权利要求之一所述的激光切割装置，其特征在于，设置有至少一个可操控的转向镜(6、9)，所述转向镜根据对其进行的操控引导激光(2)的光路通过用于模式转换(3)的机构或在所述用于模式转换的机构旁经过。

6.按照上述权利要求之一所述的激光切割装置，其特征在于，在激光(2)的光路中，在用于模式转换(3)的机构下游设置有空间频率滤波器(4)。

7.按照上述权利要求之一所述的激光切割装置，其特征在于，激光源(1)发射具有波长在300nm和400nm之间的脉冲的紫外光(2)。

8.按照上述权利要求之一所述的激光切割装置，其特征在于，设置用于确定单位面积的照射剂量的设备，所述设备检测激光源(1)的照射参数和通过转向单元(20)的控制设备(30)预先确定的点位置，由此计算出剂量值并将所述剂量值输出，或者在超过预先确定的阈值时激活报警指示。