CN105103391B - 用于激光处理靶材料的激光装置以及方法 - Google Patents

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Abstract

在一个实施方案中，一种激光装置包括：半导体激光器(22)，例如VECSEL型的，其用于产生具有飞秒范围内或更短的脉冲持续时间并具有至少100MHz的脉冲重复率的脉冲激光辐射；选择器(54)，其用于从所述激光辐射中选择脉冲群(60)，每个脉冲群包括在所述脉冲重复率下的多个脉冲，其中所述脉冲群被时移至少500ns；扫描器设备，其用于扫描所述激光辐射的焦点；控制器，其用于基于控制程序控制所述扫描器设备，所述控制程序包括指令，当由所述控制器执行时，所述指令使得针对每个脉冲群在靶材料中例如人眼组织中形成基于LIOB的光致破裂。

Description

用于激光处理靶材料的激光装置以及方法
本公开总体上涉及用于激光处理靶材料的装置和方法。更确切地，本公开的装置和方法的目标在于脉冲激光辐射的多脉冲施加以在靶材料中形成微裂(microdisruption)。
脉冲激光辐射的单脉冲施加使用单个激光脉冲来在靶材料中形成微裂。相比之下，多脉冲施加通过在靶材料的基本相同位置处连续施加的多个辐射脉冲的组合效应在靶材料中形成微裂。通常，多个脉冲中的每个脉冲具有的能量和强度不足以使材料破裂，但多个脉冲的聚集效应实现期望破裂。在单脉冲施加中，在每次施加脉冲后操控激光辐射的焦点至新的位置，其中脉冲施加位置极少或不重叠。在多脉冲施加中，在将脉冲群施加在靶材料的基本相同位置处后，将激光辐射的焦点移动至新的位置以施加下一个脉冲群。虽然群内脉冲具有充分位置重叠以得到必要的聚集效应来实现材料的期望破裂，但不同群中的脉冲并无或基本无位置重叠。
提供脉冲fs(飞秒)激光辐射的常规单脉冲激光系统被配备有体块或光纤激光振荡器以及作为啁啾脉冲放大器或再生放大器来运行以放大脉冲的放大设备。脉冲拾取器用来将体块或光纤激光振荡器产生的脉冲的重复率减至低至足以允许通过放大设备放大脉冲的值。fs激光系统的其它常规设计采用长腔或腔倒空激光谐振器来实现在靶材料上进行单脉冲施加需要的期望脉冲能量。
EP 1 829 510 A1公开一种采用双脉冲在人体角膜组织中实现光致破裂的fs激光装置，其中双脉冲由较低能量的预脉冲和较大能量的主脉冲组成。
US 2003/0222324 A1公开一种用于使用成组激光辐射脉冲来烧蚀去除集成电路芯片中的导电链路的技术。每个脉冲具有的能量不足以完全切断链路，但会烧蚀链路的一部分。因此，对链路材料的去除利用组中的每个单脉冲以逐步方式来进行。
在一方面，本公开提供了一种激光装置，所述激光装置包括：用于产生具有超短脉冲持续时间的脉冲激光辐射的激光源；用于从所述激光辐射中选择脉冲群的选择器，每个脉冲群包括在至少100MHz的脉冲重复率下的多个脉冲，其中所述脉冲群具有不超过约1MHz的群重复率；以及用于扫描所述脉冲激光辐射的焦点的扫描器设备；以及用于基于控制程序控制所述扫描器设备的控制器，所述控制程序包括指令，当由所述控制器执行时，所述指令使得在靶材料中形成分裂/破裂/损坏。
在某些实施方案中，激光源包括了半导体激光器。半导体激光器可为VECSEL(竖直外腔表面发射激光器)型、VCSEL(竖直空腔表面发射激光器)型和MIXSEL(锁模集成外腔表面发射激光器)型中的一种。
在某些实施方案中，脉冲重复率为至少500MHz、800MHz或1GHz。
在某些实施方案中，脉冲群包括不少于10个脉冲或20个脉冲或50个脉冲或80个脉冲或100个脉冲。
在某些实施方案中，脉冲群具有不超过500ns或200ns或150ns或120ns的群持续时间。
在某些实施方案中，连续脉冲群被时移至少脉冲群的所述持续时间。
在某些实施方案中，在能量和峰值功率中的至少一个对群的所有脉冲是标称相同的。标称是指发射脉冲的激光装置的设置，并意味着针对群的所有脉冲施加相同能量和/或峰值功率靶值。这不排除因统计过程而造成群的脉冲之间实际能量或峰值功率值出现波动。
在某些实施方案中，所述装置包括用于将脉冲激光辐射朝靶材料输出的出口位置，其中出口位置处输出的脉冲是以确保通过每个脉冲群在人眼组织中产生激光诱导光学击穿的脉冲特性来表征。
在某些实施方案中，出口位置处输出的脉冲群的聚集能量在毫微焦耳或微焦耳的范围内。作为数值性且非限制性实例，出口位置处输出的脉冲群的聚集能量可在0.1与1微焦耳之间。
在某些实施方案中，出口位置处输出的脉冲群内单脉冲的能量在皮可焦耳或毫微焦耳的范围内。
在某些实施方案中，提供第一放大器以在选择脉冲群之前放大脉冲激光辐射中的脉冲。
在某些实施方案中，第一放大器配置成将脉冲的能量从皮可焦耳放大至毫微焦耳。
在某些实施方案中，第二放大器放大选择器所选择的脉冲。
另一方面，本公开提供了一种激光装置，所述激光装置包括：半导体激光器(例如VECSEL型、VCSEL型或MIXSEL型的)，用于产生具有飞秒范围内或更短的脉冲持续时间并具有至少100MHz的脉冲重复率的脉冲激光辐射；用于从所述激光辐射中选择脉冲群的选择器，每个脉冲群包括在所述脉冲重复率下的多个脉冲，其中所述脉冲群被时移至少500ns；用于扫描所述激光辐射的焦点的扫描器设备；以及用于基于控制程序控制所述扫描器设备的控制器，所述控制程序包括指令，当由所述控制器执行时，所述指令使得针对每个脉冲群在透明靶材料(即对辐射是透明的)中例如人眼组织中形成基于LIOB的光致破裂。
根据又一方面，本公开提供了一种激光处理靶材料的方法，所述方法包括：使用VECSEL或其它类型的半导体激光器产生具有超短脉冲持续时间的脉冲激光辐射；从所述激光辐射中选择脉冲群，每个脉冲群包括在至少100MHz的脉冲重复率下的多个脉冲，其中所述脉冲群具有不超过约1MHz的群重复率；以及操控所述脉冲激光辐射在靶材料的靶区域上的焦点以在所述靶材料中形成破裂。
在本公开的实施方案中，靶材料是生物材料。在某些实施方案中，生物材料是人眼的组织，例如，角膜组织或人体晶状体材料。在其它实施方案中，靶材料是非生物性材料，或换句话说是无生命的材料。
现将参考附图通过举例对本公开的实施方案进行更详细地描述，其中：
图1示出根据实施方案的用于在人眼中形成切口的激光装置的实例；
图2示出根据实施方案的图1中的装置的激光设备的更详细的部件；以及
图3示出根据实施方案的用于在人眼中形成切口的方法的实例。
现在参考附图，详细示出所公开的装置和方法的示例性实施方案。以下描述决不旨在穷举或将随附权利要求书以另外方式限制或约束为附图中示出且本文中公开的具体的实施方案。虽然附图代表可能的实施方案，但是附图不一定按比例，并且可将某些特征简化、放大、去除或部分地剖切以便更好地示出实施方案。另外，某些附图可呈示意形式。
图1示出配置成在人眼组织中形成切口的装置10的示例性实施方案。在示出的实施方案中，装置10包括激光设备和控制计算机。激光设备可使用超短脉冲激光辐射在人眼的角膜、人体晶状体或另一结构中形成切口。如本文中使用，超短意味着在皮秒或飞秒或微微微秒范围内的脉冲持续时间。
在图1所示实例中，装置10在人眼12上执行激光外科手术。装置10包括可如所示那样耦接的激光设备14、患者适配器16、控制计算机18和存储器20。激光设备14包括可如所示那样耦接的激光源22、脉冲串成形设备24、扫描器26、一个或多个光学反射镜28和聚焦物镜30。患者适配器16包括接触元件32和支撑套管34。存储器20存储控制程序36。
激光源22产生具有超短脉冲的激光束38。激光束38的焦点可在组织如眼睛12的角膜或另一结构中形成激光诱导光学击穿(LIOB)。激光束38可具有任何合适的波长，如在300至1900纳米(nm)范围内的波长，例如300至650、650至1050、1050至1250、1100至1400或1400至1500或1500至1900nm范围内的波长。激光束38也可具有相对小的聚焦体积，例如5微米(μm)或更小的直径。
脉冲串成形设备24、扫描器26、光学反射镜28和聚焦物镜30位于激光束38的射束路径中。激光源22将激光束38产生作为以规则间隔彼此跟随的激光辐射脉冲的序列。脉冲串成形设备24将激光源22提供的序列形成为由连续脉冲群组成的脉冲串(或“脉冲串(burst)”)。脉冲串的每个脉冲群包括多个辐射脉冲。在某些实施方案中，脉冲群的脉冲通过选择激光源22提供的序列的直接连续脉冲形成，使得群的脉冲之间的时间间隔对应于激光源22提供的序列的脉冲之间的时间间隔。在其它实施方案中，脉冲群的脉冲之间的时间间隔可大于激光源22提供的序列的脉冲之间的时间间隔。对此，脉冲串成形设备24可选择用于脉冲群的序列中由至少一个居间脉冲分开的脉冲。相比之下，脉冲串成形设备24输出的脉冲串的连续脉冲群之间的时间间隔是群的脉冲之间的时间间隔倍数。脉冲串成形设备24可另外为脉冲串的脉冲提供放大功能。
扫描器26配置成横向地且纵向地控制激光束38的焦点。“横向”是指相对于激光束38的传播方向成直角的方向，并且“纵向”是指射束传播方向。横向平面可标记为x-y平面，并且纵向方向可标记为z方向。
扫描器26可以任何合适的方式横向地引导激光束38。例如，扫描器26可包括能围绕相互垂直的轴线倾斜的一对电流测定地致动的扫描器反射镜。作为另一实例，扫描器26可包括能电光地操控激光束38的电光晶体。扫描器26可以任何合适的方式纵向地引导激光束38。例如，扫描器26可包括能控制射束焦点的z位置的纵向可调透镜、折光力可变的透镜或可变形反射镜。扫描器26的聚焦控制部件可沿射束路径以任何合适的方式布置，例如，布置在相同或不同的模块单元中。
一个或多个光学反射镜28将激光束38朝聚焦物镜30引导。例如，光学反射镜28可为不可移动偏折反射镜或可移动偏折反射镜。作为替代形式，能折射和/或衍射激光束38的光学元件可提供来替代光学反射镜28。
聚焦物镜30将激光束38聚焦到眼睛12的靶区域。聚焦物镜30可分开耦接到患者适配器16。聚焦物镜30可为任何合适的光学设备如F-Theta物镜。
患者适配器16与眼睛12的角膜相接。套管34耦接到聚焦物镜30并保持接触元件32。接触元件32是对激光辐射透明的或半透明的，并具有与角膜相接且可使角膜的一部分变平的邻接面40。在某些实施方案中，邻接面38是平面的，并且在角膜上形成平面区域。邻接面40可在x-y平面上，使得平面区域也在x-y平面上。在其它实施方案中，邻接面40无需是平面的，例如，可为凸或凹的。
控制计算机18根据控制程序36控制激光设备14的可控部件例如像激光源22、脉冲串成形设备24、扫描器26和/或一个或多个反射镜28。控制程序36包含指示可控部件来将脉冲激光辐射聚焦在眼睛12的一区域处以使得所述区域的至少一部分光致破裂的计算机代码。
扫描器26可引导激光束38来形成任何合适的几何形状的切口。眼睛12的组织的任何合适部分可被光致破裂。装置10可通过沿给定扫描路径移动激光束38的焦点来使组织层光致破裂。随着激光束38沿扫描路径而行进，辐射脉冲在眼睛12的组织中形成光致破裂。更具体地，光致破裂是由脉冲串成形设备24输出的脉冲串的每个脉冲群造成的。通过并置多个光致破裂，就可在眼睛12中形成具有任何期望的几何形状的切口。
现另外地参考图2。在此图中，激光源22被示出为包括泵浦源42和激光谐振器44。泵浦源42可被配置用于激光谐振器44的电或光泵浦。例如，泵浦源42可包括电子半导体驱动电路或泵浦二极管。激光谐振器44可为VECSEL型的。VECSEL代表竖直外腔表面发射激光器并指定基于表面发射半导体增益芯片和用一个或若干外部光学元件完成的谐振器的半导体激光器类型。关于VECSEL型激光器的更详细的背景信息可参见奥列格·G·奥霍尼特科夫(Oleg G.Okhotnikov)编辑的《半导体盘形激光器：物理学与技术》(SemiconductorDisc Lasers:Physics and Technology),Wiley-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA,印刷ISBN：978-3-527-40933-4，该文献的内容以引用的方式并入本文。在其它实施方案中，激光谐振器44是另一类型的半导体激光器，例如像VCSEL或MIXSEL。为了被动锁模，谐振器44可包括以半导体技术制成的可饱和吸收镜(SAM)。
激光源22将激光束38产生作为以规则间隔彼此跟随并具有至少100MHz的脉冲重复率的超短辐射脉冲的序列。图2左下部分中的P-t图示意性地示出激光源22的输出端处的位置(1)上的脉冲序列。序列被标记为46，并且序列中的单独脉冲被标记为48。在P-t图中，P指示功率，并且t指示时间。序列46的脉冲48的脉冲重复率可具有在100MHz至500MHz、500MHz至1GHz、1GHz至2GHz、2GHz至5GHz、5GHz至10GHz或10GHz至20GHz范围内的任何合适的值。脉冲能量(且类似地，脉冲峰值功率)对序列46的所有脉冲48是相同的(在形成超短激光脉冲过程中不可避免的适用公差内)。脉冲能量可以具有任何合适的值，且例如，可在皮可焦耳(pJ)的范围内。例如，激光源22输出的脉冲48的脉冲能量可至少约1pJ且至多约10nJ/脉冲。在某些实施方案中，脉冲48可具有在1至100pJ、100至500pJ、0.5至1nJ或1至10nJ的范围内的脉冲能量。
在图2所示实施方案中，光隔离器50耦接在激光源22与脉冲串成形设备24之间，以便抑制脉冲到激光谐振器44中的背反射。光隔离器的用于预期目的的合适结构是常规已知的，并且在本文中将省略它们的详细描述。
在穿过光隔离器50后，激光束38进入脉冲串成形设备24。脉冲串成形设备24包括前置放大器52、脉冲选择器54和后置放大器(或“升压放大器”)56。前置放大器52使得序列46的脉冲48以任何合适系数放大。例如，放大系数可在102至104、200至5000、500至3000或700至2000的范围内。在某些实施方案中，前置放大器52使得脉冲48放大至在毫微焦耳(nJ)范围、例如单位数或两位数nJ范围内的能量水平。在某些实施方案中，前置放大器52是半导体光学放大器(SOA)。在其它实施方案中，前置放大器52是光纤放大器。
脉冲选择器54对连续脉冲序列46的(前置放大)脉冲48执行脉冲选取，以产生由各自包括多个(前置放大)脉冲的连续脉冲群组成的脉冲串。图2右下部分中的P-t图示意性地示出脉冲选择器54输出的(即，沿激光束38的射束路径在位置(2)处输出的)脉冲串的图案。脉冲串被标记为58，并且串中的脉冲群(或“脉冲串”)被标记为60。脉冲群60均包括相同数量的(前置放大)脉冲。前置放大脉冲被标记为48'。每个脉冲群60中的脉冲48'的数量可以具有任何合适的值，例如，可在10至1000、10至500、20至200或50至150的范围内。脉冲能量对脉冲群60中的所有脉冲48'是相同的。
脉冲选择器可以是允许从连续脉冲序列46中选择单独脉冲或脉冲群并使所选择的脉冲或脉冲群传送到后置放大器56上的任何合适设备。例如，脉冲选择器54可实施为声光调制器(AOM)。脉冲选择的其它实施方案可包括电光调制器或普克尔斯盒。脉冲群60的重复率比序列46的脉冲重复率小至少2或3数量级。脉冲群60的重复率不高于约1MHz，并且范围例如为从100至500kHz或500kHz至1MHz。
脉冲群60中的脉冲48'的脉冲重复率与序列46的脉冲48的重复率相同。限定群60的持续时间与群60的重复间隔的比率为占空比，占空比值可在2％至30％、5％至20％或5％至15％的范围内。例如，占空比可为约10％。
后置放大器56执行脉冲串60的脉冲48'的放大，以使脉冲48'的能量水平以至少10、20、50或100的系数上升。在某些实施方案中，后置放大器56将脉冲48'放大至在1位数、2位数或3位数nJ范围或1位数或2位数微焦耳(μJ)范围内的能量水平。例如，后置放大器将脉冲48'放大至约1μJ的值。后置放大器可包括光纤放大器，例如，大模面积(LMA)光纤放大器或大间距光纤(LPF)。
返回参考图1，患者适配器16及其接触元件32提供出口位置，在所述出口位置处，激光束38从装置10朝靶(即，眼睛12)输出。在通过患者适配器16输出时，脉冲群的脉冲具有相同的能量和功率，并且激光束38的脉冲群的每个单独脉冲具有的能量不足以在治疗时在眼组织中实现激光诱导光学击穿。换句话说，每个单独脉冲的能量均低于单脉冲施加的适用能量阈值，即，小于由单脉冲诱导LIOB所需要的能量水平。然而，患者适配器16处输出的脉冲群的全部脉冲的聚集效应则足以在治疗组织中造成LIOB。在某些实施方案中，扫描器26被控制来连续移动激光束38，使得脉冲群的脉冲“即时(on-the-fly)”被施加到治疗的眼组织，即，不停止激光束38的移动。在脉冲群的脉冲的时间位移由于激光束38的扫描速度而足够短时，仍要确保脉冲群的脉冲以充分位置重叠来击发在眼组织处以实现期望LIOB。同时，脉冲串60的连续群的时间偏移量大至足以确保连续群被击发在眼组织的间隔位置而没有实质性重叠。在此方式，脉冲串60中的一系列脉冲群在眼睛12的组织中有效地造成一系列光致破裂。
虽然并未在附图中示出，但在某些实施方案中，激光设备14可包括另外的光学部件，如脉冲扩展器、脉冲压缩器、反射光栅和/或透射光栅。这些部件本身是常规的，因此在本文中可省略它们的详细描述。
图3是一种用于在靶中(例如在眼睛12中)形成切口的方法的实例。所述方法可使用装置10执行。在步骤200，可提供VECSEL型激光器。在步骤210，可控制VECSEL型激光器以产生激光辐射。所产生的辐射可具有约1GHz或更多的脉冲重复率。在步骤220，可从所产生的辐射中选择脉冲群，其中脉冲群可具有约1MHz或更少的重复率。在步骤230，可控制激光辐射的焦点来在靶的靶区域上移动以在靶中形成切口。切口可具有任何合适的几何形状，并且可例如形成在人眼12的角膜或晶状体中。

Claims (23)

1.一种激光装置，所述激光装置包括：
-激光源(22)，其配置成产生具有在飞秒范围内或更短的超短脉冲持续时间并具有至少100MHz的脉冲重复率的脉冲激光辐射；
-选择器(24)，其配置成从所述激光辐射中选择脉冲群(60)，每个脉冲群包括在至少100MHz的脉冲重复率下的多个脉冲，其中所述脉冲群具有不超过约1MHz的群重复率，连续脉冲群(60)被时移至少500ns；
-扫描器设备(26)，其配置成对所述脉冲激光辐射的焦点进行扫描；
-控制器(18)，其配置成基于控制程序(36)控制所述扫描器设备，所述控制程序包括指令，当由所述控制器执行时，所述指令使得针对每个脉冲群在人眼组织中形成基于激光诱导光学击穿LIOB的光致破裂。
2.如权利要求1所述的激光装置，其中所述激光源(22)包括半导体激光器。
3.如权利要求2所述的激光装置，其中所述半导体激光器是VECSEL型、VCSEL型和MIXSEL型中的一种。
4.如权利要求1至3中任一项所述的激光装置，其中所述脉冲重复率为至少500MHz、800MHz或1GHz。
5.如权利要求1至3中任一项所述的激光装置，其中脉冲群(60)包括不少于10个脉冲或20个脉冲或50个脉冲或80个脉冲或100个脉冲。
6.如权利要求1至3中任一项所述的激光装置，其中脉冲群(60)具有不超过200ns或150ns或120ns的群持续时间。
7.如权利要求1至3中任一项所述的激光装置，所述激光装置包括用于将所述脉冲激光辐射朝靶材料输出的出口位置，其中在所述出口位置处输出的脉冲是以确保通过每个脉冲群在人眼组织中产生激光诱导光学击穿的脉冲特性来表征的。
8.如权利要求7所述的激光装置，其中在所述出口位置处输出的脉冲群(60)的聚集能量在毫微焦耳或微焦耳的范围内。
9.如权利要求8所述的激光装置，其中在所述出口位置处输出的脉冲群(60)的聚集能量在0.1与1微焦耳之间。
10.如权利要求7所述的激光装置，其中在所述出口位置处输出的脉冲的能量在皮可焦耳或毫微焦耳的范围内。
11.如权利要求1至3中任一项所述的激光装置，其中脉冲群具有用于所述群的所有脉冲的相同能量。
12.如权利要求1至3中任一项所述的激光装置，其中脉冲群具有用于所述群的所有脉冲的相同峰值功率。
13.如权利要求1至3中任一项所述的激光装置，所述激光装置包括第一放大器(52)，所述第一放大器(52)配置成在选择所述脉冲群(60)之前放大所述脉冲激光辐射的脉冲。
14.如权利要求13所述的激光装置，其中所述第一放大器(52)被配置成将脉冲的能量从皮可焦耳放大至毫微焦耳。
15.如权利要求13所述的激光装置，所述激光装置包括第二放大器(56)，所述第二放大器(56)配置成放大所述选择器(54)所选择的脉冲。
16.一种激光处理靶材料的方法，所述方法包括：
-使用半导体激光器产生具有飞秒范围内或更短的超短脉冲持续时间的脉冲激光辐射；
-从所述激光辐射中选择脉冲群，每个脉冲群包括在至少100MHz的脉冲重复率下的多个脉冲，其中所述脉冲群具有不超过约1MHz的群重复率，连续脉冲群(60)被时移至少500ns；
-操控所述脉冲激光辐射在靶材料的靶区域上的焦点以针对每个脉冲群在人眼组织中形成基于LIOB的光致破裂。
17.如权利要求16所述的方法，所述方法包括：
-以用于脉冲群的所有脉冲的相同能量和相同峰值功率中的至少一个向所述靶材料施加所述激光辐射。
18.如权利要求16或17所述的方法，其中所述脉冲重复率为至少500MHz、800MHz或1GHz。
19.如权利要求16或17所述的方法，其中脉冲群包括不少于10个脉冲或20个脉冲或50个脉冲或80个脉冲或100个脉冲。
20.如权利要求16或17所述的方法，其中脉冲群具有不超过500ns或200ns或150ns或120ns的群持续时间。
21.如权利要求16或17所述的方法，其中施加至所述靶材料的脉冲群的聚集能量在毫微焦耳或微焦耳的范围内。
22.如权利要求16或17所述的方法，其中施加至所述靶材料的脉冲的能量在皮克焦耳或毫微焦耳的范围内。
23.如权利要求16或17所述的方法，其中所述靶材料是人眼组织，并且其中每个脉冲具有低于在所述眼组织中产生LIOB的单脉冲阈值注量的注量。
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