CN105143959B - 用于扫描超短脉冲光的光束的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种扫描光学系统(10)的实施方案包括：光源(22)，其提供超短脉冲持续时间的脉冲光的光束(38)；偏转器(26)，其用于透过扫描角度使所述光束偏转；透镜系统，其包括用于使所述偏转的光束聚焦的聚焦物镜(30)；色散补偿装置(25)，其用于减小通过所述透镜系统的所述光束的脉冲的色散相关失真，所述色散补偿装置包括可变形色散镜(42)和用于所述镜的致动器装置(44)；和控制器(18)，其用于控制所述致动器装置以根据所述扫描角度改变所述镜的形状。

Description

用于扫描超短脉冲光的光束的系统和方法

本公开涉及用于扫描超短脉冲光的光束的系统和方法。

对于电磁辐射的超短脉冲，材料色散可以在脉冲传播穿过光学系统中的玻璃或其它光学材料时造成脉冲的不想要的失真。失真量取决于脉冲的光谱带宽且随着脉冲持续时间减小到两位数飞秒范围或更短范围中的值而变得特别显著。材料色散的不利效果包括传播时间差(PTD)或群延迟(GD)和群速度色散(GVD)。GVD包括穿过光学材料的不同阶色散。群延迟色散(GDD)为二阶色散且造成传播穿过光学材料的脉冲的时间展宽。更高阶色散包括三阶色散(TOD)和四阶色散(FOD)。PTD和GVD的效果的更详细论述可见于其内容以引用方式并入本文中的US 2011/0058241。

射线在透镜中穿越的路径长度可以取决于与透镜的光学轴相隔的径向距离。例如，凸透镜在透镜的中心部分中具有较大厚度且在透镜的周边部分中具有较小厚度。在凹透镜中，路径长度在透镜的周边部分处较大且朝向透镜的中心变得较小。取决于相对于透镜的光学轴的径向位置，传播穿过透镜的射线可以因此经历不同量的色散。

射线在透镜中穿越的路径长度也可以取决于射线在透镜材料中相对于透镜的光学轴传播的角度。射线穿越透镜的角度取决于射线入射在透镜上的角度。因此，在相同位置处但以不同入射角度入射在透镜上的射线在透镜中经历不同路径长度。入射角度可以随着跨正交于传播光脉冲的光束的传播方向的平面扫描该光束而变化。因此，不同入射角度可以表示不同扫描角度。因此，取决于扫描角度，传播穿过透镜的射线可以经历不同量的色散。特定来说，对于不同值的扫描角度，射线可以经历不同量的GD。

色散镜可用于减少由光学系统引进的GDD。为此，色散镜可以被设计来引进负啁啾，对于行进穿过光学系统的脉冲，其至少部分地对由光学系统引进的正啁啾(时间展宽)进行补偿。US 2011/0058241 A1描述具有伴随入射角度变化的GDD值的啁啾多层镜。

本公开提供一种扫描光学系统，所述扫描光学系统包括：光源，其提供超短脉冲持续时间的脉冲光的光束；偏转器，其用于通过扫描角度使所述光束偏转；透镜系统，其包括用于使所述偏转的光束聚焦的聚焦物镜；色散补偿装置，其用于减小通过所述透镜系统的所述光束的脉冲的色散相关失真，所述色散补偿装置包括可变形色散镜和用于所述镜的致动器装置；和控制器，其用于控制所述致动器装置以根据所述扫描角度改变所述镜的形状。

改变可变形色散镜的形状可对引进或改变入射在所述镜的不同位置处的波包之间的相对延迟有效。以此方式，可调整入射在所述镜的不同位置的波包之间的相对时间位移且可至少部分地对群延迟(GD)的空间分布比对透镜系统的扫描角度的变动进行补偿。改变可变形色散镜的形状可以包括相对于所述镜的一个或多个其它反射表面部分来回移动所述镜的一个或多个反射表面部分。

在某些实施方案中，可变形色散镜具有提供伴随所述镜的反射表面上的位置变化的色散特性的多层结构。例如，可变形色散镜的多层结构可以跨反射表面引进以下项中的至少一个：非一致GD、非一致GDD和非一致TOD。所述镜的非一致GD可以用来对GD比对从透镜系统的光学轴径向偏移的不同值的变动进行补偿。相似地，所述镜的非一致GDD和TOD可以用来分别对GDD和TOD比对从透镜系统的光学轴径向偏移的不同值的变动进行补偿。GD、GDD或TOD的空间变动可能在大孔径光学装置中特别显著，因为例如大孔径光学装置用于被设计用于眼科手术的飞秒激光系统。

在某些实施方案中，色散补偿装置还包括大块补偿器，其具有用于对由透镜系统引进的群延迟和群延迟色散中的至少一个的大块进行补偿的空间一致色散特性。

在某些实施方案中，所述光源为激光源且所述光具有适于在人眼组织中创建切口的中心波长。

本公开也提供一种扫描方法，其包括：提供超短脉冲持续时间的脉冲光的光束；通过扫描角度使所述光束偏转；借助于聚焦物镜使所述偏转的光束聚焦；提供可变形镜；和根据所述扫描角度控制所述可变形镜的形状以至少部分地对所述聚焦物镜的群延迟的空间分布比对不同扫描角度的变动进行补偿。

应注意，在本公开的某些实施方案中，可用可变形非色散镜取代可变形色散镜。在这些实施方案中，可变形镜仍可用来基于光束的扫描角度，局部地(即，个别地对于不同空间位置)调整所述镜与后续光学构件(例如，透镜)之间的气隙的长度。以此方式，可适应光学系统的群延迟的空间分布的变动，所述变动可以伴随不同扫描角度发生。又，在这些实施方案中，对于入射在可变形镜上的脉冲，所述镜不引进群速度色散。

现将举例、参考附图更详细地描述本公开的实施方案。

图1示出根据实施方案的可用于在人眼中创建切口的扫描光学系统的实例；

图2示出根据实施方案的色散补偿装置的详情；和

图3示出根据实施方案的扫描方法的步骤。

现参考附图，详细地示出所公开系统和方法的示例性实施方案。下文描述决不意在详尽性或以其它方式将所附权利要求书限制或限定于附图中所示和本文中所公开的特定实施方案。尽管附图表示可能的实施方案，但附图未必按比例绘制且可以对某些特征进行简化、扩大、移除或部分分段以更好地示出所述实施方案。此外，某些附图可以呈示意图形式。

图1示出可扫描激光的超短脉冲的光束并使其聚焦的扫描光学系统10的示例性实施方案。在所示实施方案中，扫描光学系统10包括激光装置和控制计算机。激光装置可使用激光在人眼的眼角膜、人眼晶状体或其它组织结构中创建切口。如本文中所使用，超短意在意指小于100、80、50或20飞秒(fs)的脉冲持续时间。在某些实施方案中，脉冲持续时间在单位数飞秒范围(即，小于10fs)或阿托秒(as)范围中。

在图1的所示实例中，扫描光学系统10对人眼12执行激光手术。扫描光学系统10包括可以如所示般耦接的激光装置14、患者适配器16、控制计算机18和存储器20。激光装置14包括如所示般耦接的激光源22、光束扩展器24、色散补偿装置25、扫描器26、一个或多个光学镜28和聚焦物镜30。患者适配器16包括可以如所示般耦接的接触元件32和支撑套管34。存储器20存储控制程序36。

激光源22生成具有超短脉冲的激光光束38。激光光束38的焦点可以使在组织(诸如眼12的眼角膜或其它组织结构)中创建激光诱导光学击穿(LIOB)。激光光束38可以具有任何合适波长，诸如在300-1900纳米(nm)的范围中的波长，例如在300-650nm、650-1050nm、1050-1250nm、1100-1500nm或1500-1900nm的范围中的波长。激光光束38也可以具有相对较小的聚焦体积，例如直径为5微米(μm)或更小。

光束扩展器24、色散补偿装置25、横向扫描器26、光学镜28和聚焦物镜30在激光光束38的光束路径中。

光束扩展器24被配置来扩展激光光束38的宽度或直径。光束扩展器24的实例为伽利略类型的焦外望远镜。

扫描器26被配置来横向地控制激光光束38的焦点。“横向”是指与激光光束38的传播方向成直角的方向，且“纵向”是指光束传播方向。横向平面可以指定为x-y平面，且纵向方向可以指定为z方向。扫描器26可以按任何合适方式使激光光束38横向地偏转。例如，扫描器26可以包括可绕着相互垂直的轴倾斜的一对电流测定致动式扫描器镜。作为另一实例，扫描器26可以包括可使激光光束38电光地转向的电光晶体。

激光装置14也可纵向地引导激光光束38以使光束38的焦点在z方向上移位。对于纵向扫描，激光装置14可以包括纵向可调整透镜、有可变折射能力的透镜或可控制光束焦点的z位置的可变形镜。在某些实施方案中，光束扩展器24包括由两个或两个以上透镜组成的透镜组合件，其中光束扩展器24的透镜中的一个被安置成纵向可调整或具有可变折射能力。在其它实施方案中，扫描器26包括纵向扫描构件，举例来说，诸如可变形镜。

一个或多个光学镜28朝向聚焦物镜30引导激光光束38。例如，光学镜28可以为不可移动偏离镜或可移动偏离镜。作为替代，可使激光光束38折射和/或衍射的光学元件可以被提供代替光学镜28。

聚焦物镜30使激光光束38聚焦到眼12的靶区域上。聚焦物镜30可以可分离地耦接到患者适配器16。聚焦物镜30可以为任何合适光学装置，诸如F-θ物镜。在某些实施方案中，聚焦物镜30为由多个折射型透镜组成的多透镜装置。

患者适配器16与眼12的眼角膜连接。套管34耦接到聚焦物镜30且保持接触元件32。接触元件32对激光光束透明或半透明并且具有与眼角膜连接且可以与眼角膜的一部分齐平的邻接面40。在某些实施方案中，邻接面40是平面的且在眼角膜上形成平面区域。邻接面40可以在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，例如可以是凸形或凹形的。

控制计算机18根据控制程序36控制激光装置14的可控制组件，举例来说，诸如激光源22、光束扩展器24、色散补偿装置25、扫描器26和视需要光学镜28中的至少一个。控制程序36含有指示可控制组件使脉冲激光辐射聚焦在眼12的区域处以使所述区域的至少一部分光致破裂的计算机代码。

扫描光学系统10的扫描组件可以引导激光光束38以形成任何合适几何形状的切口。可以使眼12的组织的任何合适部分光致破裂。光学系统10可以通过沿给出扫描路径移动激光光束38的焦点来使组织层光致破裂。随着激光光束38沿扫描路径行进，激光脉冲在眼12的组织中创建光致破裂。多个光致破裂的并列允许在眼12中创建任何所要几何形状的切口。

安置色散补偿装置25使得由激光光束38传播的脉冲行进穿过色散补偿装置25。色散补偿装置25将一定量的群延迟和群速度色散添加到穿越色散补偿装置25的脉冲。更具体来说，色散补偿装置25引进部分地或全部地对在激光装置14的其余部分中对于脉冲引进的量进行补偿的适当量的GD和GDD。此外，色散补偿装置25可以添加适当量的TOD。随着从激光装置14输出，激光脉冲因此具有最小量的色散相关失真。

在某些实施方案中，色散补偿装置25可以具有添加由色散补偿装置25提供的所有量的色散的单一补偿器。在其它实施方案中，色散补偿装置25可以包括添加不同量的色散的两个或两个以上补偿器。在一个实例中，色散补偿装置25具有大块(bulk)补偿器和残余补偿器。大块补偿器引进将激光装置14的输出端处的脉冲的色散相关失真减小为最小值所要的大块色散。由大块补偿器引进的色散是空间一致的，即，对于大块补偿器上的激光光束38的波包的所有入射位置是相同的。残余补偿器引进残余量的色散。由残余补偿器添加的色散是空间不一致的，即，对于残余补偿器上的激光光束38的波包的不同入射位置是不同的。在某些实施方案中，由残余补偿器添加的色散具有旋转对称性且在径向方向上相对于对称轴而变化。

此外，现参考图2，其示出色散补偿装置25的示例性实施方案。如图2中所示，色散补偿装置25包括可变形色散(或“啁啾”)镜42、致动器装置44和大块补偿器46。可变形色散镜42具有反射表面48，其由具有层间不同的折射率的多个薄电介质层的多层结构形成。致动器装置44与控制计算机18连接且允许相对于其它表面部分来回移动反射表面48的选定部分，以借此改变反射表面48的形状。在示例性实施方案中，致动器装置44可以包括多个个别可控制的致动构件，其中每个致动构件作用于反射表面48的不同部分。可变形色散镜42可为任何合适类型。在某些实施方案中，镜42可以包括分段式反射表面，其中每段可独立于其它段来回移动。在其它实施方案中，所述镜可以具有连续反射表面。例如，镜42可以制造为MEMS(微机电系统)装置。

可变形色散镜42充当残余补偿器且对扫描光学系统10的其余部分中引进的群速度色散的空间变动进行补偿。可变形色散镜42的多层结构被设计来对于照射在镜42上的脉冲添加空间不一致的群速度色散。对于镜42的反射表面48上的不同位置，镜42的空间不一致的群速度色散具有用于至少GDD的不同值，且在某些实施方案中也具有用于TOD的不同值。射线追踪可用作用来确定扫描光学系统10(不包括色散补偿装置25)的群速度色散的空间图案的方法。基于扫描光学系统10的GVD图案，可变形色散镜42的多层结构可适当地被设计来至少部分地消除GVD图案的空间变动。

在某些实施方案中，可变形色散镜42的多层结构也被设计来对于照射在镜42上的脉冲添加空间不一致的群延迟。可通过改变可变形镜42的形状来调整由多层结构添加的群延迟的空间分布。在其它实施方案中，可变形色散镜42的多层结构不添加群延迟。然而，在这些实施方案中，可通过改变镜42的形状来调整入射在反射表面48上的不同位置处的波包的相对相位，以借此对于从镜42反射的脉冲引进空间不一致的群延迟图案。

例如，大块补偿器46由一对相对安置的色散镜组成(未详细示出)。激光光束38从一侧进入镜之间的空间，在镜之间来回反弹达预定次数，且接着在另一侧上离开这对镜。激光脉冲从所述对的镜中的一个的每次反射将色散添加到所述脉冲，使得通过所述镜对添加到所述脉冲的总色散取决于所述脉冲在所述镜对中经历的反弹次数。应了解，同样可想到大块补偿器的其它配置，例如，单一色散镜、一对棱镜或一对光栅。在某些实施方案中，诸如在由光学系统引进的总色散足够小的情况下，可以省略大块补偿器46且可变形色散镜42可以为用于对光学系统的色散进行补偿的唯一补偿器。

因为扫描器26使激光光束38偏转，所以激光光束38的射线在聚焦物镜30中穿越的路径长度和任何中间气隙可以变化。图1通过虚线示出偏转的激光光束38'。通过使偏转的激光光束38'的偏转量变化(即，通过使扫描角度的值变化)，在从聚焦物镜30输出偏转的光束38'之前对于其脉冲引进的群延迟的空间图案可以变化。为了适应这些变化，控制程序36具有用来控制致动器装置44以根据扫描角度改变可变形镜42的形状的指令。改变可变形镜42的形状具有修改入射在镜42的反射表面48上的不同位置处的波包之间的相对相位关系的效果。通过以合适方式调整镜42的形状，由偏转的光束38'的脉冲在聚焦物镜30的输出侧处展现的群延迟的空间分布伴随扫描角度的变动可减小到最小值。

图3为可以使用扫描光学系统10执行的扫描方法的实例。所述方法可以用于在眼12中创建切口。在步骤200处，提供脉冲激光的光束38。在步骤210处，根据控制程序36通过扫描角度使光束38横向地(即，平行于x-y平面)偏转，从而导致偏转的光束38'。在步骤220处，将偏转的光束38'聚焦在眼12的靶区域处以在眼组织中生成基于LIOB的光致破裂。在步骤230处，基于偏转的光束38'的扫描角度，控制可变形色散镜42的形状以弥补由聚焦物镜30对于偏转的光束38'的脉冲引进的群延迟的空间图案的变动，所述变动伴随不同值的扫描角度发生。

Claims (11)

1.一种扫描光学系统(10)，其包括：

光源(22)，其提供超短脉冲持续时间的脉冲光的光束(38)；

偏转器，其用于通过扫描角度使所述光束偏转；

透镜系统，其包括用于使所述偏转的光束聚焦的聚焦物镜(30)；

色散补偿装置(25)，其用于减小由所述透镜系统引起的所述光束的脉冲的色散相关失真，所述色散补偿装置包括可变形色散镜和用于所述可变形色散镜的致动器装置(44)；和

控制器(18)，其用于控制所述致动器装置以根据所述扫描角度改变所述可变形色散镜的形状以至少部分地对所述聚焦物镜的群延迟的空间分布比对不同扫描角度的变动进行补偿。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述可变形色散镜具有提供伴随所述可变形色散镜的反射表面上的位置变化的色散特性的多层结构。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述多层结构被配置来跨所述反射表面引进以下项中的至少一个：非一致群延迟、非一致群延迟色散和非一致三阶色散。

4.根据权利要求2或3所述的光学系统，其中所述色散补偿装置(25)还包括大块补偿器(46)，所述大块补偿器具有用于对由所述透镜系统引进的群延迟和群延迟色散中的至少一个的大块进行补偿的空间一致色散特性。

5.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的光学系统，其中所述光源(22)为激光源且所述光束具有适于在人眼组织中创建切口的中心波长。

6.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的光学系统，其中如由所述控制器指示的所述可变形色散镜的所述形状的变化被设计来适应所述光学系统的群延迟的空间分布的变动，所述变动伴随不同扫描角度发生。

7.一种扫描光学系统(10)，其包括：

光源(22)，其提供超短脉冲持续时间的脉冲光的光束(38)；

偏转器，其用于通过扫描角度使所述光束偏转；

透镜系统，其包括用于使所述偏转的光束聚焦的聚焦物镜(30)；

可变形镜；

致动器装置(44)，其用于所述可变形镜；和

控制器(18)，其用于控制所述致动器装置以根据所述扫描角度改变所述可变形镜的形状以至少部分地对所述聚焦物镜的群延迟的空间分布比对不同扫描角度的变动进行补偿。

8.根据权利要求7所述的扫描光学系统，其中所述可变形镜是非色散的。

9.根据权利要求8所述的扫描光学系统，其包括色散补偿装置，所述色散补偿装置用于减小由所述透镜系统引起的所述光束的脉冲的色散相关失真。

10.根据权利要求7到9中任一权利要求所述的扫描光学系统，其中如由所述控制器指示的所述可变形镜的所述形状的变化被设计来适应所述光学系统的群延迟的空间分布的变动，所述变动伴随不同扫描角度发生。

11.一种扫描方法，其包括：

提供超短脉冲持续时间的脉冲光的光束；

通过扫描角度使所述光束偏转；

借助于聚焦物镜使所述偏转的光束聚焦；

提供可变形镜；和

根据所述扫描角度控制所述可变形镜的形状以至少部分地对所述聚焦物镜的群延迟的空间分布比对不同扫描角度的变动进行补偿。