CN107440819B - 改变光学材料的折射率的方法和所得到的光学视觉器件 - Google Patents

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Abstract

一种用于改变光学聚合物材料折射率的方法。所述方法包括用飞秒激光脉冲连续地辐照光学聚合物材料的预定区域以便在材料内形成梯度折射率的折射结构。一种光学装置，包括：具有前表面和后表面以及与两个表面相交的光轴的光学聚合物晶状体材料；至少一层由激光改性的GRIN层，其布置于所述前表面和后表面之间，并沿着相对于光轴成45度到135度的第一轴线布置，且其特征还在于横过相邻段至少一部分的至少之一以及沿着每一段的折射率变化。

Description

改变光学材料的折射率的方法和所得到的光学视觉器件
本申请是2012年5月29日递交的国际申请号为PCT/US2012/039807、中国国家申请号为201280037332.6的分案申请。
技术领域
本发明的实施方式涉及一种用于利用激光来改变光学器件或装置的折射特性的方法、所得到的光学器件或装置、以及其它应用，所述光学器件或装置诸如但不限于人工晶状体(IOL)、隐形眼镜、角膜嵌体、以及包括水凝胶或疏水性丙烯酸酯材料的其它此类光学器件或装置。
背景技术
通常而言，存在两种类型的人工晶状体，称之为假晶状体眼IOL和有晶状体眼IOL。前一种类型的人工晶状体代替眼睛的天然晶状体，通常用于代替被移除的白内障晶状体。后一种类型的人工晶状体用于补充现有的晶状体并用作永久校正晶状体，其被植入到前房或后房以便校正眼睛的屈光不正。根据每位患者术前测量的眼轴长度和角膜曲率来确定待植入的晶状体倍率(即源于无穷远的光聚焦在视网膜上的点)。进行术前测量是希望患者手术之后将需要很小(如果有的话)的视力校正。令人遗憾的是，由于测量误差、易变的晶状体位置或伤口愈合，大多数接受手术的患者在手术之后不经过某种形式的视力校正的情况下都不能享有最佳的视力。由于典型的(不可调节型)IOL的倍率是固定的且在植入后无法进行调节(原位)，所以大多数患者必须在白内障手术之后使用诸如眼镜或隐形眼镜的校正透镜来优化他们的视力。
对于术后的一种潜在性替代方案，校正透镜是一种光可调节的人工晶状体，其折射特性可在将晶状体插入到人眼中之后改变。这种晶状体在美国专利第6,450,642号中有所报道，以下简称为Calhoun专利。该光可调节的晶状体包括：(i)第一聚合物基体；以及(ii)调节折射的组合物(RMC)，其能够经刺激诱发聚合。如所述的那样，当所述晶状体的一部分暴露于足够强度的光照时，RMC形成第二聚合物基体。该方法产生光可调节的倍率改变的晶状体。
如在Calhoun专利中所述那样，选择第一聚合物基体和RMC使得包括RMC的组分能够扩散到第一聚合物基体内。换言之，疏松的第一聚合物基体将趋于与较大的RMC组分配对，而致密的第一聚合物基体将趋于与较小的RMC组分配对。当暴露于适当的能量源(例如，热或光)时，RMC典型地在所述光学元件的曝光区域中形成第二聚合物基体。在曝光之后，在未曝光区域中的RMC将随着时间的推移迁移至曝光区域。RMC迁移至曝光区域内的量被认为是依赖于时间的并且可控。如果允许足够的时间，则RMC组分将在整个晶状体材料(即，所述第一聚合物基体，包括曝光区域)中进行再平衡和再分布。当该区域被再暴露于能量源时，已经迁移至该区域内的RMC聚合进一步增加所述第二聚合物基体的形成。可以重复这个过程(适当时间间隔之后进行曝光以允许扩散)，直到所述光学元件的曝光区域已达到所期望的性质(例如倍率、折射率、或形状)。然后将整个光学元件暴露于能量源下以通过聚合晶状体材料内剩余的RMC来“锁定”所希望的晶状体特性。总之，晶状体的倍率通过由RMC的迁移和随后的聚合所引起的形状变化来改变。
美国专利第7,105,110号描述了一种以合适的图样用合适的辐射量辐照如Calhoun专利所述的光可调节的晶状体的方法和仪器。该方法包括对准调节辐射的源以便使得该辐射以一定图样入射到晶状体上，并控制入射辐射的量。通过控制辐射的强度和持续时间来控制入射辐射的量。
申请人先前已经描述了使用非常短的脉冲来改变光学聚合物材料的折射率的方法，所述脉冲来自具有0.5nJ至1000nJ脉冲能量的可见光或近红外线的激光。参见美国公开第2008/0001320号。光的强度足以改变聚焦体积内材料的折射率，其中刚好位于聚焦体积之外的部分最小程度地受到激光的影响。聚焦体积内的辐射导致折射光学结构，其特征在于相对于主体(bulk)(未被辐射)聚合物材料的折射率发生0.005以上的折射率正变化。在特定的辐射条件下和在一定的光学材料中，测量到折射率变化了0.06。光学材料的辐射区域可采取二维或三维的面积或体积填充的折射结构形式。折射结构通过由激光扫描过聚合物材料的选定区域来形成，得到可以给晶状体提供球面、非球面、环形或柱面校正的折射光学结构。事实上，可形成用于对晶状体产生正或负倍率校正的任何光学结构。此外，光学结构可被垂直堆叠，或写入在聚合物材料中不同平面以用作单个的晶状体元件。在美国专利第7,789,910中，申请人描述了使用拉曼光谱作为研究方法来确定在光学聚合物材料的聚焦体积内发生何等的结构、化学或分子变化(如果有的话)，其可解释所观察到的折射率变化。
在美国公开第2009/0287306号中，申请人描述了一种用于在包含光敏剂的光学聚合物材料中提供折光倍率(或屈光度)变化的类似方法。光敏剂存在于所述聚合物材料中以便增强用于形成折射结构的双光子过程的光效率。在一些情况下，在包括光敏剂的情况下，激光扫描过所述聚合物材料时的速率可以增加100倍，但仍提供材料折射率的类似变化。
美国公开第2009/0157178号描述了一种人工晶状体的聚合物材料，其可在材料中提供光致的化学变化，通过用激光改变材料的折射率导致晶状体焦距长度(倍率)或非球面特性的变化。该材料中的光致化学反应通过将所述材料曝光于在200nm到1500nm的宽光谱范围内的激光而发生。在从200nm至400nm的UV光线的情况下，光致化学反应是单光子过程，而设想在从400nm到1500nm光线情况下的光致化学反应是双光子过程。仅仅描述了利用313nm的激光脉冲以及范围从0.05焦耳/平方厘米到2焦耳/平方厘米的总辐射剂量的光致化学反应，这对于申请人而言都是意料之中的。在早期，申请人曾研究了希望诱导聚合物材料中光学变化的类似的键断裂/键形成方法。申请人了解到在UV中的光是必要的，以及光有效的双光子过程仍难以用于诱导这种化学或结构的变化以及所观察到的材料折射率变化。
美国公开第2010/0228345号描述了诸如人工晶状体的一种晶状体，其中在激光焦距(位点)内的折射率改变至5微米至50微米的深度。该方法利用模2π相位回卷技术通过在不同位点位置处使得晶状体材料发生折射率变化(Δn)来给晶状体提供折光倍率(或屈光度)变化，例如，在Δn＝0.001的最低值与Δn＝0.01的最高值之间。所述的辐射方法使用突发的飞秒(fs)激光脉冲通过多光子吸收机理来改变经受辐射材料的折射率。然而，为了获得理想的折光(或屈光)变化，该材料中的所得到的折射率改变的光学层必须至少为50微米(μm)厚。
对于用于改善人类视觉的新型和改进的技术和材料以及由其所得到的视觉器件存在持续的需求。这种器件可包括用于在白内障手术之后使用的人工晶状体(IOL)，或可为角膜嵌体或其它可植入的视力校正装置的形式。还存在由这种技术和器件导致的优点和益处，允许折射特性(例如折射率、折光倍率(或屈光度))的原位改变。
发明内容
本发明的一个实施方式涉及用于提供光学装置的屈光力变化的一种方法。该方法包括用光学聚合物晶状体材料提供光学装置的步骤，所述光学聚合物晶状体材料具有前表面和后表面以及与所述表面相交的光轴。该方法还包括利用来自可见光或近红外线激光的光脉冲并沿着光学聚合物材料的区域扫描该光脉冲来形成位于所述前表面和所述后表面之间的至少一层由激光改性的梯度折射率(GRIN)层的步骤。所述至少一层由激光改性的GRIN层包括多个相邻的折射段，并且其特征还在于下述项中至少一个的折射率变化：(ⅰ)横向于扫描方向的相邻折射段的一部分；以及(ii)沿着扫描方向的折射段的一部分。在各个非限制性方面中：
-所述至少一层由激光改性的GRIN层沿着第一轴线布置，且相对于光轴倾斜约45度至135度；
-聚合物晶状体材料包括光敏剂；
-光敏剂包括至少一种双光子吸收的发色团，其具有在750nm和1100nm之间的至少10GM的双光子截面；
-光敏剂是可聚合单体的一部分，或者物理分散于光学聚合物中；
-形成至少一层由激光改性的梯度折射率GRIN层包括用具有0.01nJ到20nJ脉冲能量的连续激光脉冲流辐照光学聚合物晶状体材料的选定区域；
-将多个极短的激光脉冲聚焦到材料内，所述激光脉冲具有限定的聚焦体积，具有在约650纳米(nm)至约950nm的光谱波长。激光脉冲具有从10兆赫到300兆赫的重复频率，从10fs到500fs的脉冲持续时间，从20毫瓦到260毫瓦的平均功率，以及从0.01nJ到20nJ的脉冲能量；
-光学装置是人工晶状体，在将晶状体通过手术放入到人眼内之前其折射特性被改变。在该方面，可在制备环境中进行辐照过程。折射特性可设计成增强晶状体的景深或形成倍率可变的选定区域，以便根据患者的视力校正需求定制晶状体。可替代地，折射特性可设计成形成多焦点晶状体；
-光学装置为人工晶状体或角膜嵌体，并且形成所述至少一层由激光改性的GRIN层在将光学装置例如由眼科医生通过手术放入到患者眼内之后执行；
-GRIN层的多个相邻折射段具有一至五微米的独立线宽度，以及两个相邻折射段的段间间距小于两个相邻段的平均线宽度
-多个相邻折射段为线段；
-多个相邻折射段为从中心点沿着第一轴线向外伸出的同心段；
-多个相邻折射段为弧形或曲线段；
-GRIN层的多个段的特征在于下述项中至少一个的折射率中相对于晶状体材料折射率的恒定正变化：(ⅰ)在扫描方向上的折射段的一部分；以及(ii)沿着横向于折射段的轴线的一部分；
-GRIN层的多个段的特征在于下述项中至少一个的折射率中相对于晶状体材料折射率的增加或减少正变化的恒定速率：(ⅰ)在扫描方向上的折射段的一部分；以及(ii)沿着横向于折射段的轴线的一部分；
-所述至少一层由激光改性的GRIN层具有二次方分布；
-所述至少一层由激光改性的GRIN层表现出很少或没有散射损失，即，所形成的GRIN层在没有相差增强的适当放大倍率下不能清晰可见，因此在没有某种形式的图像增强的情况下GRIN层对于人眼而言几乎是透明的；
-形成至少一层由激光改性的GRIN层包括形成二至十层由激光改性的GRIN层；
-形成至少一层由激光改性的GRIN层包括形成二至十层由激光改性的GRIN层，所述GRIN层沿着基本平行于所述第一轴线的第二轴线布置于至少一层由激光改性的GRIN层之上或之下；
-所述GRIN层具有从2微米到10微米的单层厚度，且所述GRIN层表现出很少或没有散射损失；
-二到十层GRIN层具有厚度为5微米到10微米的未改性聚合物晶状体材料的层间间距。
本发明的一个实施方式涉及具有梯度折射率结构的光学装置。所述装置包括光学聚合物晶状体材料，所述光学聚合物晶状体材料具有前表面和后表面以及与所述表面相交的光轴。所述装置还包括至少一层由激光改性的GRIN层，其布置于所述前表面和后表面之间，并沿着相对于光轴成45度到135度的第一轴线布置。所述至少一层由激光改性的GRIN层包括多个相邻的折射段，并且其特征在于在下述项中至少一个的折射率变化：(i)相邻折射段的横向横截面；以及(ii)折射段的侧向横截面。在各个非限制性的方面：
-所述多个相邻的折射段是线段；
-所述多个相邻的折射段选自于由同心段和弧形段或曲线段所组成的组；
-聚合物晶状体材料包括光敏剂；
-所述光敏剂包括发色团，其具有在750nm和1100nm之间的至少10GM的双光子吸收横截面；
-GRIN层的多个相邻折射段具有一至五微米的独立线宽度，以及两个相邻段的段间间距小于两个相邻段的平均线宽度
-所述GRIN层的多个折射段的特征在于沿着所述第一轴线和横向第二轴线的至少之一的折射率中的恒定正变化，折射率变化相对于未改性的聚合物晶状体材料；
-所述GRIN层的多个折射段的特征在于沿着所述第一轴线和横向第二轴线的至少之一的折射率的增加或减少正变化的恒定速率或可变速率，折射率变化相对于未改性的聚合物晶状体材料；
-聚合物晶状体材料是水凝胶；
-所述装置为人工晶状体或角膜嵌体。
现在将参照所附的附图对体现本发明的这些和其它特征、属性和特性进行详细地描述。
附图说明
由以下说明并结合附图将会更好地理解本发明。但是应当清楚地理解，提供每幅附图仅仅是为了示出和描述本发明的实施方式，而并不意图进一步限制本发明所要求保护的实施方式。
图1A是在由激光辐射所产生的写入光学聚合物材料内的线光栅的显微照片；
图1B是图1A所示显微照片的示意图；
图2A是在由激光辐射所产生的写入光学聚合物材料内在另一线光栅之上并与该另一线光栅正交的线光栅的显微照片；
图2B是图2A所示显微照片的示意图；
图3A是在由激光辐射所产生的蚀刻在光学聚合物材料内的圆柱体阵列的显微照片；
图3B是图3A所示显微照片的示意图；
图4A是在由激光辐射所产生的蚀刻在光学聚合物材料内的在另一圆柱体阵列(20×20)之上并相对于该另一圆柱体阵列(20×20)略微偏移的一个圆柱体阵列(20×20)的显微照片；
图4B是图4A所示显微照片的示意图；
图5是在可由激光辐射所产生的光学聚合物材料中的立体结构的示意图；
图6是在光学聚合物材料中形成凸面、平面或凹面结构以产生正向或负向校正的示意图；
图7是用于写入图1至图4、图9、图10和图12所示结构的激光和光学系统的示意图；
图8A是无光敏剂的水合
Figure BDA0001243910250000071
IOL的透射光谱；
图8B是用含有17重量％的香豆素-1的溶液掺杂的水合
Figure BDA0001243910250000072
IOL的透射光谱；
图9A是在50微米每秒的扫描速率和160毫瓦的平均功率下显微机械加工的无光敏剂的水合
Figure BDA0001243910250000073
IOL的相差图片；
图9B是在50微米每秒的扫描速率和160毫瓦的平均功率下显微机械加工的用含有17重量％的香豆素-1的溶液掺杂的水合
Figure BDA0001243910250000074
IOL的相差图片；
图10A是在1毫米每秒的扫描速率和160毫瓦的平均功率下显微机械加工的用含有17重量％的香豆素-1的溶液掺杂的水合
Figure BDA0001243910250000081
IOL的相差图片；
图10B是在1毫米每秒的扫描速率和60毫瓦的平均功率下显微机械加工的用含有17重量％的香豆素-1的溶液掺杂的水合
Figure BDA0001243910250000082
IOL的相差图片；
图11A是无光敏剂的水合
Figure BDA0001243910250000083
有机硅水凝胶的透射光谱；
图11B是用0.17重量％的荧光素掺杂的水合Pure
Figure BDA0001243910250000084
有机硅水凝胶的透射光谱；
图12A是在0.5微米每秒的扫描速率和60毫瓦的平均功率下显微机械加工的无光敏剂的水合Pure
Figure BDA0001243910250000086
有机硅水凝胶的相差图片；
图12B是在5.0微米每秒的扫描速率和60毫瓦的平均功率下显微机械加工的用0.17重量％的荧光素掺杂的水合Pure
Figure BDA0001243910250000085
有机硅水凝胶的相差图片；
图13是在balafilcon A薄膜(未掺杂的和用荧光素和香豆素-1掺杂)中折射率变化相对于扫描速率的图表；
图14是实施例5的水凝胶材料的透射光谱；
图15是实施例5的水凝胶材料在不同的扫描速率下测量的折射率变化的图表；
图16A和16B是实施例5A和5E的水凝胶材料分别在1.5nJ和2nJ的平均脉冲能量下在各个波长下测量的折射率变化的图表；
图17是实施例5A和5E的水凝胶材料在1.5nJ的平均脉冲能量和1毫米/秒的扫描速率下在各个波长下测量的折射率变化的图表；
图18是测量具有不同水含量的水凝胶材料的折射率变化的图表；
图19是在各个波长下测量具有不同水含量的水凝胶材料的折射率变化的图表；
图20是示出在370毫瓦的平均功率下在800纳米以100飞秒的激光脉冲在82MHz的重复频率下，具有在BBS中的2％X-单体的
Figure BDA0001243910250000087
型水凝胶的折射率变化(Δn)(纵轴)相对于扫描速度(水平轴)变化的曲线图；
图21示出写入到光学聚合物材料内的梯度折射率层层叠的横截面示意图；
图22示出根据本发明示例性实施方式的在GRIN层中的多条扫描线的示意图，其中每条线约2微米宽以及线间距为1微米；
图23A是沿着图22中GRIN层605-1的x-轴线所选定扫描段的梯度折射率分布的图形表示；
图23B是沿着图22中y-轴线的GRIN层605-1的梯度折射率分布的图形表示；
图24是沿着垂直于扫描方向的轴线的GRIN层的梯度折射率分布的图形表示，其可用于给光学聚合物材料提供负的折光倍率(或屈光度)校正；
图25A是当段被写入时GRIN层的段的梯度折射率分布的图形表示；
图25B是当段被写入时GRIN层的段的另一梯度折射率分布的图形表示；
图25C是当段被写入时GRIN层的段的另一梯度折射率分布的图形表示；
图26A是沿着垂直于扫描方向的轴线的GRIN层的梯度折射率分布的图形表示；
图26B是沿着垂直于扫描方向的轴线的GRIN层的另一梯度折射率分布的图形表示；
图26C是沿着垂直于扫描方向的轴线的GRIN层的另一梯度折射率分布的图形表示；
图27A示出根据本发明示例性实施方式的一维二次梯度折射率装置的特怀曼-格林(Twyman-Green)型干涉图，所述装置为1.8mm宽和4毫米长(矩形)，写入Akreos：X单体(曲线线段示出二次波阵面)；
图27B是图27A所示特怀曼-格林(Twyman-Green)型干涉图的示意图；
图28示出根据本发明示例性实施方式的具有实时聚焦反馈的自适应光学激光振镜(optic galvo)扫描系统的示意图；
图29示出根据本发明示例性方面的写入到光学聚合物材料内的单层梯度折射率结构的示意图；
图30示出根据本发明示例性方面的写入到光学聚合物材料内的三层梯度折射率结构的示意图；
图31A示出根据本发明示例性方面的用激光振镜(galvo)控制系统写入到巯烯(Thiolene)：ITX中的二维单层GRIN层；以及
图31B是图31A所示GRIN层的示意性表示。
具体实施方式
如果使用足够能量的极短激光脉冲来辐照光学聚合物材料，则聚焦体积内的光强度将导致光子的非线性吸收(通常多光子吸收)且导致在该聚焦体积内材料的折射率变化。此外，刚好在聚焦体积外材料将最小程度地受到激光的影响。根据本发明示例性实施方式的飞秒激光脉冲序列在较高的重复频率例如80兆赫下操作，因而热扩散时间(＞0.1微秒)比相邻激光脉冲之间的时间间隔(～11ns)长得多。在这种条件下，所吸收的激光能量能够在聚焦体积内积累并增加局部温度。这种热机理可能对于在光学聚合物材料中激光诱发折射结构的形成起着一定的作用。此外，认为在聚合物材料中存在水可有利地影响折射结构的形成。因此，光学水凝胶聚合物与零或低水含量的光学聚合物(例如疏水性丙烯酸酯或低水(1％至5％的水含量)丙烯酸酯材料)相比在折射结构形成方面提供大得多的加工灵活性。
该方法包括用激光辐照光学聚合物材料(诸如像光学水凝胶材料)的选定区域。辐照区域表现出很少或没有散射损失，这意味着在聚焦体积中形成的所得到的折射结构在没有相差增强的适当的放大倍率下不能清晰可见。换言之，在没有某种形式的图像增强的情况下所述折射结构对于人眼而言几乎是透明的。光学材料是下述聚合物材料，其允许至少80％的可见光传输通过材料，也就是不明显散射或阻挡可见光的光学材料。
如果光学聚合物材料(诸如像光学水凝胶材料)包括光敏剂，则可以更有利地执行示例性方法。光敏剂的存在允许将扫描速率设置成比无光敏剂存在于该材料中时的扫描速率大至少50倍或至少100倍的值，但就该材料在聚焦体积内所观察到的折射率变化而言仍然提供类似的折射结构。可替代地，在该聚合物材料中的光敏剂允许将平均激光功率设置成比无光敏剂存在于该材料中时的平均激光功率小至少2倍、更优选小高达4倍的值，但仍提供类似的折射结构。认为具有相对大的多光子吸收横截面的生色团的光敏剂以更高的效率捕获光辐射(光子)，然后将该能量传递到聚焦体积内的光学聚合物材料中。所传递的能量导致折射结构的形成，并且在聚焦体积内观察到材料折射率的变化。
此外，本申请人先前研究从所述双光子过程所导致形成的折射结构是否在水凝胶聚合物材料中导致在化学键断裂或形成方面的显著化学变化，参见美国专利第7,789,910号，该专利的公开内容通过引用并入本文。申请人非常惊奇地发现在暴露于激光脉冲的聚合物材料的区域和没有暴露的那些地区之间在拉曼光谱上具有很少或根本没有差别。通常而言，拉曼光谱用于提供对在材料内所发生的结构或分子变化的信息。在拉曼散射实验中，将该水凝胶聚合物样品放置在配备有纳米级分辨率的X-Y扫描级的共焦显微拉曼光谱仪上。将波长为632.8nm的He-Ne激光聚焦到材料的表面上以便获得拉曼散射信号。由于主体与辐照区域的折射率之间的差异，监测界面处的散射光以便确保激光焦点位于辐照区域内。这两个光谱的比较强烈地表明辐照区域和基体材料之间没有显著的结构或化学变化。
根据由飞秒激光脉冲改性的熔融石英的近期拉曼光谱的分析，上述拉曼结果会是令人惊奇的。参见J.W.Chan,T.Huser,S.Risbud,D.M.Krol,在“Structural change infused silica after exposure to focused femtosecond laser pulses,”Opt.Lett.26,1726-1728(2001)。但是申请人拉曼的实验的结果可以解释为何在聚合物水凝胶材料内未观察到由辐照区域(折射结构)所散射的任何光线。拉曼光谱也表明光学水凝胶材料的低脉冲能量的飞秒辐照不导致材料中的强烈结构变化，即使当折射率变化相比于熔融石英所获得的折射率变化要高得多的时候。
迄今为止，我们已经使用具有可变球面像差补偿的60X 0.70NA奥林巴斯LUCPlanFLN长工作距离显微物镜。如以下方程式所示，
Figure BDA0001243910250000111
局部瞬时温度同时取决于脉冲强度和双光子吸收(TPA)系数的量值。为了进行具有纯粹折射特性即不吸收或不散射的材料的光学改性，重要的是要避免光学损伤，即所观察到聚合物材料的燃烧(烧焦)或碳化。这种材料或光学损伤会通过超过临界自由电子密度的激发强度引起。对于含有大量水的水凝胶聚合物而言，光学击穿阈值比石英玻璃低得多。该击穿阈值限制了水凝胶聚合物可以容忍的脉冲能量(在多数情况下，为约0.1nJ至20nJ)，但是在聚焦体积内仍提供可观察到的折射率变化。
本文所述的辐照方法和条件与在石英中进行的飞秒激光显微机械加工研究中所报导的大不相同，在石英研究中已经观察到大得多的脉冲能量和大得多的温度升高(数千个开氏温度)。参见S.M.Eaton等人的“Heat accumulation effects in femtosecondlaser-written waveguides with variable repetition rate,”Opt.Express 2005，13，4708-16。此外，水的比热常数Cp比石英玻璃(CP＝840JK-1kg-1)大得多，因此认为水在该水凝胶聚合物材料中的存在减轻了在聚焦体积中的温度升高。
在给定强度水平下增加能量吸收的另一种方式是通过用特定的发色团掺杂光学聚合物材料并调整短脉冲激光接近发色团的双光子跃迁来增加非线性吸收系数β。在该方面，我们已经制备了用不可聚合的光敏剂或可聚合的光敏掺杂的光学水凝胶材料。光敏剂包括在750nm至1100nm的激光波长范围之间具有至少10GM的双光子吸收横截面的发色团。在前一种不可聚合光敏剂的情况下，我们制备了含有光敏剂的溶液，并且使光学水凝胶聚合物材料与这些溶液接触以使得光敏剂被吸收到该聚合物的聚合物基体内。在后一种可聚合光敏剂的情况下，我们在单体混合物中使用含有发色团的单体，例如基于荧光素的单体，以使得发色团成为聚合物基体的一部分。
本领域的普通技术人员将认识到人们能够使用含有不可聚合的光敏剂的溶液来掺杂已经用可聚合光敏剂所制备的光学聚合物材料。此外，应该理解的是发色体在每种相应的光敏剂中可以是相同的或不同的。
我们的研究表明，通过溶液掺杂或通过使用可聚合的光敏剂用光敏剂掺杂水凝胶材料，局部温度升高可达到聚合物的转变点；目标是达到这一转变点以提供所需的折射率变化，但仍然保持在低于水凝胶材料损伤阈值水平的强度安全限度。
此外重要的是要注意，光敏剂在所述过程中不经受显著结构或化学转变，申请人依赖于所述光敏剂以增加双光子过程的光效率，从而增加制备折射结构的光效率，导致水凝胶聚合物材料的折射率中发生可观察到的变化。同样，在辐照区域和非辐照区域之间观察不到光敏聚合物材料的拉曼光谱的变化。这与对于形成由光敏剂掺杂的材料的折射结构所观察到效率上的幅度增加量级是一致的。例如，申请人已经观察到仅仅用0.17重量％的具有光敏作用所必要的生色团的可聚合单体掺杂给定的水凝胶材料，在形成折射结构的效率上增加100倍或更多。掺杂光敏剂的该非常小的浓度本身并不能导致效率上所观察到的增加。
在光学材料(优选光学水凝胶材料)中具有双光子发色团的可聚合单体光敏剂的浓度可低至0.05重量％和高达10重量％。在光学水凝胶材料中具有双光子发色团的可聚合单体的示例性浓度范围为从0.1重量％至6重量％，从0.1重量％至4重量％，以及从0.2重量％至3重量％。在各个方面，在光学水凝胶材料中具有双光子发色团的可聚合单体光敏剂的浓度范围为从0.4重量％至2.5重量％。
由于在辐照过程中使用的高重复频率脉冲序列，累计的焦点温度上升可比单个激光脉冲所导致的温度上升要大得多。累积温度增加，直到所吸收的功率和耗散的功率处于动态平衡为止。对于水凝胶聚合物而言，当局部温度超过转变温度时，聚合物网络内的热诱导的附加交联可产生折射率的变化。如果温度上升超过第二阈值(比转变温度稍高的温度)，聚合物热降解，并观察到碳化残留物和水泡。换言之，材料表现出明显的光学损伤(烧焦)。作为本文所述的研究结果，应考虑到以下各实验参数：诸如激光重复频率，激光波长和脉冲能量，TPA系数，以及材料的水浓度，这样在水凝胶聚合物中可在没有光学损伤的情况下导致折射率的所需变化。
脉冲能量和激光的平均功率、以及扫描辐照区域时的速率将部分地依赖于被辐照的聚合物材料的类型，希望在折射率上变化多少以及希望在材料内形成的折射结构类型。所选的脉冲能量也将依赖于扫描速率以及将折射结构写入到聚合物材料内时的激光平均功率。通常情况下，更高的脉冲能量将需要更高的扫描速率和更低的激光功率。例如，某些材料将需要为从0.05nJ到100nJ或从0.2nJ至10nJ的脉冲能量。
在上述规定的脉冲能量下，以至少为0.1毫米/秒、从0.1毫米/秒至10毫米/秒或从0.4毫米/秒至4毫米/秒的扫描速率辐照光学水凝胶聚合物材料。
在上述规定的脉冲能量和扫描速率下，在辐照过程中所使用的平均激光功率为从10毫瓦到400毫瓦，或从40毫瓦到220毫瓦。
在一个方面，平均脉冲能量为从0.2nJ至10nJ，以及平均激光功率为从40毫瓦至220毫瓦。激光也在650nm至950nm的波长范围内工作。在规定的激光工作功率下，以从0.4毫米/秒至4毫米/秒的扫描速率辐照光学水凝胶聚合物材料。
光敏剂将包括发色团，其中在600纳米至1000纳米的光谱范围内存在很小的或没有固有线性吸收。光敏剂存在于光学水凝胶聚合物材料中以增强用于形成所希望折射结构所需的双光子吸收的光效率。特别关注的光敏剂包括但不限于下列化合物。下面的化合物仅仅是示例性的。
Figure BDA0001243910250000141
如在实施例部分中更详细描述的那样，由Bausch&Lomb目前市售的商业IOL材料
Figure BDA0001243910250000142
根据本文所述的方法进行激光辐照。
Figure BDA0001243910250000143
IOL是具有26％至28％水含量的HEMA-基水凝胶材料。使用微加工过程用于在没有光敏剂的
Figure BDA0001243910250000144
IOL中以及在用含有17重量％香豆素-1的溶液掺杂的
Figure BDA0001243910250000145
IOL中印刻折射结构。同时对干燥和水合的材料进行辐照实验。仅在该水合材料中形成折射结构。
简而言之，在以给定扫描速率和平均激光功率下用香豆素溶液掺杂的
Figure BDA0001243910250000146
IOL中所测得的折射率变化的幅度比在没有香豆素的
Figure BDA0001243910250000147
IOL中所测得的折射率变化的幅度大至少10倍。出人意料的是，在160毫瓦的平均激光功率下增加扫描速率至1毫米/秒提供具有0.02至0.03的折射率变化的折射结构。此外，降低激光功率至60毫瓦仍然提供具有约0.005的折射率变化的折射结构。
在另一个示例性方面，通过将作为可聚合光敏剂的荧光素单体(0.17重量％)添加到聚合物单体混合物来制备balafilcon A有机硅水凝胶。然后根据本文所述的方法使用荧光素掺杂的balafilcon A经受激光辐照。同样，使用所述的辐照方法在无光敏剂的有机硅水凝胶中以及在用0.17重量％的荧光素单体掺杂的有机硅水凝胶中印刻折射结构。同样，同时对干燥和水合的材料进行实验，以及同样，仅在该水合材料中形成折射结构。简而言之，在以60毫瓦的平均激光功率下用0.17重量％的荧光素单体掺杂的balafilcon A有机硅水凝胶中所测得的折射率变化的幅度比在没有光敏剂的balafilcon A中所测得的折射率变化的幅度大至少10倍。甚至在光敏材料中扫描速率增加10倍(即在未掺杂材料中以0.5毫米/秒和在光敏化材料中以5.0毫米/秒)下，仍可以观察到折射率变化10倍的差异。
在某些情况下，如上所述的折射结构的形成需要保持脉冲宽度，这样脉冲峰值功率足够强以便超过光学聚合物材料的非线性吸收阈值。然而，聚焦物镜的透镜由于透镜的正色散而显著增加脉冲宽度。采用补偿机制以提供相应的负色散，其能补偿由聚焦物镜引起的正色散。因此，可采用补偿机制来校正由聚焦物镜引起的正色散。该补偿机制可包括选自由以下所构成组中的光学装置：至少两个棱镜和至少一个反射镜、至少两个衍射光栅、啁啾镜及用于补偿由聚焦物镜引起的正色散的色散补偿镜。
在不同的方面，补偿机制包括至少一个棱镜，在许多情况下至少两个棱镜，以及至少一个反射镜以补偿聚焦物镜的正色散。在另一方面，补偿机制包括至少两个光栅以补偿聚焦物镜的正色散。棱镜、光栅和/或反射镜的任意合适组合均可用于该补偿机制。
激光器将产生波长从紫外光到近红外线范围内的光。在各个方面，激光的波长在从400nm到1500nm，从400nm到1200nm，或从650nm到950nm的范围内。
在示例性方面，激光为具有10毫瓦至1000毫瓦平均功率的泵浦钛:蓝宝石激光。这种激光系统将产生波长为约800nm的光。在另一示例性方面，也可以使用可产生波长为从1000nm至1600nm的光的放大光纤激光器。
该激光在焦点处将具有大于1013W/cm2的峰值强度。有时，提供在焦点处峰值强度大于1014W/cm2或大于1015W/cm2的激光可能是有利的。
在光学聚合物材料中形成折射结构的能力为眼科外科医生或医师提供了用于改变光学装置(例如，人工晶状体或角膜嵌体)折射率的重要机会。该方法还允许通过基于每位患者所需的视力校正调节辐照区域中的折射率来调节人工晶状体或角膜嵌体的折射特性。例如，从选定倍率的晶状体开始(将根据患者的眼睛要求而改变)，能够基于患者的独特需求进一步调节晶状体的折射特性以便校正患者视力。本质上，人工晶状体的功能将类似于隐形眼镜或眼镜以便单独地校正患者眼睛的屈光不正。通常而言，光学水凝胶聚合材料的辐照部分将呈现约0.01或更多的折射率正变化。在一个实施方式中，该区域的折射率将增加约0.03或更多。申请人已测量到在水合
Figure BDA0001243910250000161
IOL材料中约0.06的折射率正变化。
本领域普通技术人员应当理解的是，本发明描述的方法并不是如前述Calhoun专利中所述通过用未反应的单体(折射调节组合物)流延光学材料，随后用激光辐照以促进额外的聚合化学作用来改变材料的折射特性，而是通过改变已经完全聚合的光学材料的折射率。当术语“完全聚合”用于描述在所公开方法中使用的光学材料时，其含义是光学材料95％以上聚合。测量聚合的光学材料的完全性的一个方式是通过近红外光谱，其用于定量测定材料的乙烯基含量。也可使用简单的重力重量分析。
在一个示例性方面，光学聚合物材料的辐照区域可由二维或三维结构来限定。所述二维或三维结构可包括离散的圆柱体阵列。替代性地，该二维或三维结构可包括一连串的线或者圆柱体阵列与一连串线的组合。此外，该二维或三维结构可分别包括面积或体积填充结构。通过用激光以恒定的扫描速率连续扫描聚合材料的选定区域而形成这些面积或体积填充的结构。也可通过如R.Menon等人，Proc.SPIE，Vol.5751，330-339(2005年5月)；Materials Today，p.26(2005年2月)所述的波带片阵列光刻法形成纳米级结构。
在一个实施方式中，光学聚合物的辐照区域用二维平面中一连串的线段限定，所述线段具有的线宽度为从0.2μm至5μm，更具体具有的线宽度为从0.6μm至3μm，并且高度为从0.4μm至8μm，更具体地高度为从1.0μm至4μm(高度在材料的z方向上测量，其平行于激光的方向)。例如，可产生包括多条线段的段阵列，其中每条线段均具有任何所需的长度，约0.8μm至约3μm的宽度和约2μm至5μm的高度。这些线段可相隔短至1.0μm(0.5μm的线距)，并且任何数量的线段均能引入到材料中。此外，段阵列可定位于任何选定深度(z方向)处，并且在材料内的不同深度处能产生任何数量的段阵列。
图1A为线段阵列的具有对比背景的显微照片，所述线段阵列包括写入光学材料中的20条线。图1B是图1A所示显微照片的示意图。每条线段约100μm长，约1μm宽且段间间隔为约5μm。这些线段具有约3μm的高度并在距离该材料上表面约100μm的距离处写入材料中。在距离该材料上表面约200μm及400μm距离处获得类似的呈现线段阵列的显微照片，从而证明在任何选定的深度处可将折射结构写入到光学材料中。
图2A为一线段阵列的具有对比背景的显微照片，其中该线段阵列写入到另一条线段阵列之上并与其正交。图2B是图2A所示显微照片的示意图。每个阵列具有类似于上面图1所述的尺寸结构。一线段阵列位于材料内约100μm处，而另一线段阵列位于材料内约110μm处，中心线线段阵列间距为约10μm。此外，这些线段阵列中每个具有约3μm的高度(深度)，从而在z方向上提供约7μm的段间间隔。
图3A为写入到光学材料内的圆柱体阵列的具有对比背景的显微照片。图3B是图3A所示显微照片的示意图。每个圆柱体的直径约1μm，高度约3μm。圆柱体的间距约5μm。所述圆柱体在距离材料上表面约100μm处激光蚀刻到材料内。
图4A为一个圆柱体阵列(20×20)的具有对比背景的显微照片，其中该圆柱体阵列在另一圆柱体阵列(20×20)之上写入并相对于其略微偏移。图4B是图4A所示显微照片的示意图。每个圆柱体具有上面图3所述的类似的尺寸结构。一个阵列位于材料内约100μm处，而另一阵列位于该材料内约105μm处，中心线间距约5μm。每个圆柱体具有约3μm的高度(深度)。
面积填充或体积填充的二维或三维结构可通过激光以恒定的扫描速率连续扫描过光学聚合物材料的选定区域而形成。如上所述，可通过在选定区域中重复扫描紧密聚焦的飞秒脉冲光束形成多条线段而在光学聚合物材料的体积内写入折射结构。线段体积可随着扫描的深度而相应变化，从而产生形状为球状、非球状、环形的或如图5所示的圆柱状的三维形状的晶状体。尽管折射率变化为正的(+0.02至+0.06)，但是可由凸透镜、平光镜或凹透镜的各种组合产生这些屈光校正晶状体以进行正向校正或负向校正，如图6中所示那样。所述折射结构可垂直堆叠，分别写入到不同的平面中，从而用作单独的晶状体元件。可根据需要写入附加的折射结构。
如由描述成面积填充或体积填充的二维或三维结构的折射结构的显微照片所示那样，人们能够在光学材料中形成线图样、圆柱体和辐射型图样，然而，还可以使用本文所述的辐照方法来形成其它的光学特征。例如，可通过将激光束导向该材料内的离散点或位点来形成点阵列(例如，具有纳米范围内的尺寸)。可以在基本上一个平面上排列这种阵列，或者可以在材料内的不同深度形成几个这种阵列。当光基本上没有被这些点散射时，有利地由此改性的材料可是有用的。
在一方面，在最接近人工晶状体的顶部前表面形成该折射结构。例如，在离该晶状体前表面的300μm体积内或100μm体积之内，形成正或负透镜元件(三维)。术语“前表面”是指面对人眼前房的晶状体表面。
用于改变光学材料的激光和光学构造
图7中示出了激光系统10的非限制性实施方式，该激光系统10用激光辐照光学聚合物材料以改变该材料选定区域中的折射率。激光光源包括由4W倍频Nd:YVO4激光14泵浦的克尔透镜(Kerr-lens)锁模的钛:蓝宝石激光12(Kapteyn-Mmane Labs，Boulder，Colorado)。该激光产生平均功率为300mW、脉冲宽度为30fs以及波长为800nm时重复频率为93MHz的脉冲。由于在光路中由反射镜及棱镜导致反射功率损耗，特别是物镜20的功率损耗，在该材料上物镜焦距处所测得的平均激光功率为约120mW，其表示用于飞秒激光的脉冲能量是约1.3nJ。
由于物镜焦距处有限的激光脉冲能量，必须保持脉冲宽度使得脉冲峰值功率足够大以便超过材料的非线性吸收阈值。因为聚焦物镜内的大量透镜由于透镜内的正色散而显著地增加了脉冲宽度，因此采用腔外补偿机制提供负色散以补偿由聚焦物镜引起的正色散。两个SF10棱镜24和28及一个末端反射镜32形成双行程单棱镜对构造。在具体的情况下，在棱镜之间使用37.5cm的间距以补偿显微镜物镜及其它在光路中的光学器件的正色散。
利用三阶谐波发生的共线自相关器40用于测量物镜焦距处的脉冲宽度。二次和三次谐波的发生均已用于低NA或高NA物镜的自相关测量。由于三阶表面谐波发生(THG)自相关的简单性、高信噪比及不具有二次谐波发生(SHG)晶体通常会引起的材料色散，申请人也选择三阶表面谐波发生(THG)自相关以表征在高数值孔径(NA)的焦距处的脉冲宽度。在空气和常规盖玻片42(Corning No.0211锌二氧化钛玻璃)的界面处产生THG信号，并用光电倍增器44和锁定放大器46测量。在使用一组不同的高数值孔径的物镜并仔细地调节两个棱镜之间的间距和插入的玻璃的量之后，利用有限变换的27-fs宽度脉冲，其通过60×0.70NA奥林巴斯LUCPlanFLN长工作距离的物镜48聚焦。
由于激光光束从激光器中出来后会在空间上发散，因此在光路中增加凹透镜对50和52以便调节激光光束的尺寸，使得激光光束能最佳地充满物镜孔径。3D 100nm分辨率的直流电伺服电动机工作台54(Newport VP-25XA线性工作台)及2D 0.7nm分辨率的压电纳米定位工作台(PI P-622.2CD压电工作台)由计算机56控制并编程作为支撑且定位样品的扫描平台。这些伺服工作台具有直流电伺服电动机，所以它们能在相邻梯级之间平滑地移动。将由计算机控制的具有1ms时间分辨率的光开关安装在系统中以精确地控制激光暴露时间。通过定制的计算机程序，可与扫描工作台一起操作光开关以在不同位置和深度用不同扫描速率以及不同的激光暴露时间下在光学材料中显微机械加工不同的图样。另外，除了物镜20之外，还使用CCD照相机58以及监视器62实时监控该过程。
上述方法和光学装置可用于在将人工晶状体手术植入到人眼内之后(或将人工晶状体手术植入到人眼内之前)改变人工晶状体的折射率。
因此，本发明的实施方式涉及一种包括识别并测量由给患者提供IOL的外科手术引起的象差的方法。一旦象差通过眼科领域已知的方法识别并量化，则用计算机处理该信息。当然，也可识别并确定关于每位患者所必要的视力校正的信息，并且也可用计算机处理该信息。有许多可商购的用于测量象差的诊断系统。例如，当前使用的普通波前传感器是基于Schemer disk，the Shack Hartmann波前传感器、Hartmann显示屏及Fizeau和Twymann-Green干涉计。Shack-Hartmann波前测量系统在本领域中是已知的，并且部分公开在第5,849,006、6,261,220、6,271,914、6,270,221号的美国专利中。这种系统通过照射眼睛视网膜并测量反射的波阵面来工作。
一旦识别并量化象差，计算机程序确定待写入到晶状体材料中以校正那些象差或为患者提供视力校正的折射结构的位置和形状。这些计算机程序对于本领域普通技术人员来说是已知的。随后计算机与激光-光学系统通信并用如本文所述的具有从0.05nJ至1000nJ的脉冲能量的激光照射晶状体的选定区域。
光学水凝胶聚合物材料
可根据本申请描述的方法被激光辐照的光学聚合物材料可以是聚合物晶状体领域的普通技术人员，尤其是本领域那些熟知用于制造人工晶状体的光学聚合物材料的技术人员所公知的任何光学水凝胶聚合物材料。这种材料的非限制性实例包括用于制造眼科器件的那些，诸如包含甲硅烷氧基的聚合物、丙烯酸系、其亲水或疏水的聚合物或共聚物。折射结构的形成特别适合于在聚合物光学有机硅水凝胶或聚合物光学非有机硅水凝胶的所选定的不同区域内改变折射率。术语“水凝胶”是指能吸收基于总水合重量大于10重量％水的光学聚合物材料。事实上，许多光学水凝胶聚合物材料将具有大于15％或大于20％的含水量。例如，许多光学水凝胶聚合物材料将具有15％-60％或15％-40％的含水量。
光学水凝胶聚合物材料具有足够的光学清晰度，并且将具有约1.40或更大，优选1.48或更大的相对高的折射率。许多这些材料的特征还有约80％或更大的相对高的伸长率。
在一个实施方式中，由至少三个单体成分以共聚物制备光学聚合物材料。第一单体成分(优选具有芳族官能度的单体成分)在所述共聚物中的量为至少60重量％，并且其均聚物将具有至少1.50，优选至少1.52或至少1.54的折射率。第二单体成分((甲基)丙烯酸烷基酯)在所述共聚物中的量为3重量％-20重量％或3重量％-10重量％。所述第一和第二单体成分总共占该共聚物的至少70重量％。术语“均聚物”是指基本上完全衍生于各自单体成分的聚合物。如常规情况那样，为了便于形成均聚物，可包括少量催化剂、引发剂等。
尤其有用的第一单体成分包括苯乙烯、乙烯基咔唑、乙烯基萘、(甲基)丙烯酸苯甲酯、(甲基)丙烯酸苯酯、(甲基)丙烯酸萘酯、(甲基)丙烯酸2-苯氧基乙酯、(甲基)丙烯酸2,3-二溴丙酯及其任意一种混合物。尤其有用的第二单体成分包括(甲基)丙烯酸正丁酯、(甲基)丙烯酸正己酯、(甲基)丙烯酸2-乙基己酯、(甲基)丙烯酸2-乙氧基乙酯、(甲基)丙烯酸2,3-二溴丙酯、(甲基)丙烯酸1,1-二氢全氟丁酯及其任意一种混合物。
第三单体组分是亲水性单体成分。所述亲水性单体成分存在的量为共聚物的从2重量％至30重量％。所述亲水性成分优选以基于共聚物小于约20重量％的量存在。包含约10重量％或更多的亲水性单体成分的共聚物如果放入水环境中容易形成水凝胶。术语“亲水性单体成分”指的是产生形成水凝胶的均聚物的化合物，即所述均聚物如果放置成与水溶液接触时会结合基于均聚物重量至少25％水。
有用的亲水性单体成分的具体实例包括：N-乙烯基吡咯烷酮；(甲基)丙烯酸羟烷基酯，诸如(甲基)丙烯酸2-羟乙酯、(甲基)丙烯酸3-羟丙酯、(甲基)丙烯酸2-羟丙酯、(甲基)丙烯酸4-羟丁酯、(甲基)丙烯酸2,3-二羟丙酯等；丙烯酰胺；N-烷基丙烯酰胺，诸如N-甲基丙烯酰胺、N-乙基丙烯酰胺、N-丙基丙烯酰胺、N-丁基丙烯酰胺等；丙烯酸；甲基丙烯酸；以及其任意一种混合物。
在另一实施方式中，光学聚合物材料由至少两种单体成分和光敏剂以共聚物制备。光敏剂可为可聚合的或被捕获在所形成的聚合物中。所述第一单体成分是亲水性单体成分。所述亲水性成分在共聚物中存在的量为50重量％至90重量％。所述亲水性成分在共聚物中存在的量特别为60重量％至85重量％。所述第二单体成分(优选为(甲基)丙烯酸烷基酯)在共聚物中存在的量为从5重量％至20重量％或从3重量％至10重量％。第一和第二单体成分一起在共聚物中以至少90重量％存在。
该聚合物光学材料可能包括能与至少第一或第二单体成分形成交联的交联成分。有利地，所述交联成分为多官能的并能与第一和第二单体成分均发生化学反应。该交联成分相对于第一和第二单体成分的量往往以较小的量存在。优选地，该交联成分在共聚物中存在的量为小于该共聚物的约1重量％。有用的交联成分的实例包括二甲基丙烯酸乙二醇酯、二甲基丙烯酸丙二醇酯、二丙烯酸乙二醇酯等和它们的混合物。
在一方面，光学聚合物材料可由具有下式的一种或多种芳族(甲基)丙烯酸酯单体和交联成分来制备：
Figure BDA0001243910250000221
其中：R为H或CH3；m为选自于0至10的整数；Y为不存在、O、S或NR1，其中R1为H、CH3、C2-C6烷基、异-OC3H7、苯基或苯甲基；Ar为任何芳环，例如苯基，其可为未取代的或被H、CH3、C2H5、n-C3H7、异-C3H7、OCH3、C6H11、Cl、Br、苯基或苯甲基取代。
示例性的芳族(甲基)丙烯酸酯单体包括但不限于：(甲基)丙烯酸2-乙基苯氧基酯、(甲基)丙烯酸2-乙基硫苯基酯、(甲基)丙烯酸2-乙基氨基苯基酯、(甲基)丙烯酸苯基酯、(甲基)丙烯酸苯甲基酯、(甲基)丙烯酸2-苯基乙酯、(甲基)丙烯酸3-苯基丙酯、(甲基)丙烯酸4-苯基丁酯、(甲基)丙烯酸4-甲基苯基酯、(甲基)丙烯酸4-甲基苯甲基酯、(甲基)丙烯酸2-2-甲基苯基乙基酯、(甲基)丙烯酸2-3-甲基苯基乙基酯、(甲基)丙烯酸2-4-甲基苯基乙基酯、(甲基)丙烯酸2-(4-丙基苯基)乙酯、(甲基)丙烯酸2-(4-(1-甲基乙基)苯基)乙酯、(甲基)丙烯酸2-(4-甲氧基苯基)乙酯等。
通常而言，如果用如上式所限定的芳族丙烯酸酯和芳族甲基丙烯酸酯都来制备该光学聚合物材料，则该材料将通常包括比甲基丙烯酸芳基酯残留物更多摩尔百分数的丙烯酸芳基酯残留物。优选的是，丙烯酸芳基酯单体占该聚合物的从约20摩尔％到约60摩尔％，而甲基丙烯酸芳基酯单体占该聚合物的从约5摩尔％到约20摩尔％。最优选的是聚合物包括约30-40摩尔％的丙烯酸2-苯乙基酯和约10-20摩尔％的甲基丙烯酸2-苯乙基酯。亲水性单体也存在约20-40摩尔％。
在另一方面，光学聚合物材料将具有5重量％至15重量％的全水合(平衡)含水量，这有助于最小化在如所述的热应力之后的混浊度以及最小化活体内水泡的形成。为了获得所需的含水量，可以在可聚合的组合物中包括具有分子式G-D-Ar的亲水性芳族单体，其中Ar是具有亲水取代基的C6-C14芳基，D是二价的连接基，和G是可聚合的烯键位置。
一个具体的亲水性芳族单体用下式表示：
Figure BDA0001243910250000231
其中R是氢或CH3；D是选自由直链或支化C1-C10烃和氧化烯(例如，-(CH2-CH2O)n-)所构成组的二价基团，和E是选自由氢(如果D是氧化烯)、羧基、甲酰胺、及一元醇和多元醇取代基所构成组的基团。示例性的亲水性取代基包括但是不限于-COOH、-CH2-CH2OH、-(CHOH)2CH2OH、-CH2-CHOH-CH2OH、聚(亚烷基二醇)、-C(O)O-NH2和-C(O)-N(CH3)2。
示例性的亲水性芳族单体由下式表示：
Figure BDA0001243910250000232
其中R是氢或CH3，和R1是-C(O)O-NH2或-C(O)-N(CH3)2。
在另一方面，该光学聚合物材料由以5-25重量％存在的第一芳族单体成分、以30-70重量％存在的第二单体成分(其是亲水性单体成分)例如(甲基)丙烯酸2-羟乙基酯、和5-45重量％的另一种选自由以下所构成组中的(甲基)丙烯酸烷基酯来制备：(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸丙酯、(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸戊酯、(甲基)丙烯酸己酯、(甲基)丙烯酸庚酯、(甲基)丙烯酸壬酯、(甲基)丙烯酸十八烷基酯、(甲基)丙烯酸辛酯、(甲基)丙烯酸癸酯、(甲基)丙烯酸月桂基酯、(甲基)丙烯酸十五烷基酯和(甲基)丙烯酸2-乙基己基酯。在这些(甲基)丙烯酸烷基酯中，包含1到3个碳原子烷基的(甲基)丙烯酸烷基酯是特别优选的。
示例性的芳族单体成分包括乙二醇苯基醚丙烯酸酯(EGPEA)、聚(乙二醇苯基醚丙烯酸酯)(聚EGPEA)、甲基丙烯酸苯基酯、甲基丙烯酸2-乙基苯氧基酯、丙烯酸2-乙基苯氧基酯、甲基丙烯酸己基苯氧基酯、丙烯酸己基苯氧基酯、甲基丙烯酸苯甲基酯、甲基丙烯酸2-苯基乙酯、甲基丙烯酸4-甲基苯基酯、甲基丙烯酸4-甲基苯甲基酯、甲基丙烯酸2-2-甲基苯基乙基酯、甲基丙烯酸2-3-甲基苯基乙基酯、甲基丙烯酸2-4-甲基苯基乙基酯、甲基丙烯酸2-(4-丙基苯基)乙酯、甲基丙烯酸2-(4-(1-甲基乙基)苯基)乙酯、甲基丙烯酸2-(4-甲氧基苯基)乙酯、甲基丙烯酸2-(4-环己基苯基)乙酯、甲基丙烯酸2-(2-氯苯基)乙酯、甲基丙烯酸2-(3-氯苯基)乙酯、甲基丙烯酸2-(4-氯苯基)乙酯、甲基丙烯酸2-(4-溴苯基)乙酯、甲基丙烯酸2-(3-苯基苯基)乙酯、甲基丙烯酸2-(4-苯基苯基)乙酯、甲基丙烯酸2-(4-苯甲基苯基)乙酯等，包括相应的甲基丙烯酸酯和丙烯酸酯，并包括它们的混合物。EGPEA和聚EGPEA为两种更优选的第一单体成分。
在另一方面，由包括约90％(重量)N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)和约10％(重量)甲基丙烯酸4-叔丁基-2-羟基环己基酯的亲水性丙烯酸类制备该光学聚合物材料。该甲基丙烯酸酯水凝胶由于高百分比的NVP而可吸收约80％(重量)的水。当水合时其折射率非常接近于水的折射率。另一种关注的亲水性丙烯酸类被称为HEMA B，其是与约0.9％(重量)二甲基丙烯酸乙二醇酯(“EGDMA”)交联的聚(甲基丙烯酸2-羟乙酯)。该HEMA-水凝胶可吸收约37％(重量)的水。
一种特别关注的亲水性丙烯酸类材料是基于市场上可商购到的由Bausch&Lomb以商品名称
Figure BDA0001243910250000242
销售的IOL。这种丙烯酸类材料包括约80重量％的HEMA和20重量％的MMA。
光学聚合物材料还可以通过共聚合特定的单体混合物、亲水性单体和交联单体来制备，所述特定的单体混合物包括(甲基)丙烯酸全氟辛基乙基氧化亚丙基酯、(甲基)丙烯酸2-苯基乙酯、具有以下通式的(甲基)丙烯酸烷基酯单体：
Figure BDA0001243910250000241
其中R为氢或甲基，以及R1为直链或支化C4-C12烷基。(甲基)丙烯酸烷基酯单体的示例性实例包括丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸异戊酯、丙烯酸己酯、丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸辛酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸癸酯、丙烯酸异癸酯等。
该(甲基)丙烯酸全氟辛基乙基氧化亚丙基酯存在的量为从5重量％至20重量％，(甲基)丙烯酸2-苯基乙酯存在的量为从20重量％至40重量％，(甲基)丙烯酸烷基酯单体存在的量为从20重量％至40重量％，亲水性单体存在的量为从20重量％至35重量％，和交联剂存在的量为0.5重量％至2重量％。
光学聚合物成分可能会包括交联剂。可用于形成本发明的共聚物材料的可共聚交联剂包括任何具有超过一个不饱和基团的末端烯键式不饱和化合物。特别地，所述交联剂包括二丙烯酸酯或二甲基丙烯酸酯。交联剂还可包括具有至少两个(甲基)丙烯酸酯基和/或乙烯基的化合物。特别优选的交联剂包括二丙烯酸酯化合物。
光学聚合物材料用一般常规的聚合方法由相应的单体成分制备。制备以选定量的单体的聚合混合物，并加入常规的热自由基引发剂。将混合物装入合适形状的模子中以形成光学材料，并通过缓慢加热而引发聚合。典型的热自由基引发剂包括过氧化物诸如过氧化二苯甲酮、过氧碳酸酯诸如双(4-叔丁基环己基)过氧二碳酸酯、偶氮腈诸如偶氮二异丁腈等。优选的引发剂为双(4-叔丁基环己基)过氧二碳酸酯(PERK)。备选地，可通过使用模具而使单体光聚合，所述模具对于能够引发这些丙烯酸类单体自身聚合的波长的光化辐射是透明的。还可引入常规光引发剂化合物例如二苯甲酮类光引发剂来促进聚合。
实施例
实施例1.具有17％香豆素-1的
Figure BDA0001243910250000251
IOL的制备
将香豆素1染料(2.5g)溶于包含10mL乙醇和5mL水的乙醇-水混合物中。记录Akreos样品的干重。在纯水中水合该样品并记录质量。在水合步骤之后，将样品浸泡于包含香豆素1染料的乙醇-水混合物中，直到获得恒定的质量。记录在该染料溶液中浸泡之后的质量。将在染料溶液中浸泡之后的质量与干质量之间的差值乘以在乙醇-水溶液中染料的质量浓度来计算掺杂的染料质量。将掺杂的香豆素1染料质量与干质量的比率乘以100来计算掺杂染料的百分数。
实施例2.在Akreos IOL材料中形成结构
使用本文上述的光学系统在光学材料的选定区域内形成线段。用含有和不含有光敏剂的Akreos IOL材料进行试验。Akreos IOL材料包括约80重量％的HEMA和20重量％的MMA，使用如上所述类似的工艺条件其具有约26％的含水量。
将水合的样品水平装配在扫描平台上，并且将飞秒激光光束通过高数值孔径的物镜垂直向下照射，并如图7所示在距离样品上表面约100μm的深度处聚焦在本体物料内。在垂直于激光光束的X-Y平面内用0.4μm/s的扫描速率产生周期性光栅结构。使用奥林巴斯BX51型显微镜观察在这三种材料内产生的光栅。
显微图像显示出样品内周期性平行的具有5μm间距的线段。在明视野显微镜中很难看到线段，这表明这些线段显示出低散射。线段的线宽度为约1μm，其明显小于使用刀口法测量的2.5μm的激光聚焦直径。
辐照材料的横截面表明线段的横截面为椭圆形的，其长轴位于激光光束的方向上，这表明在该方向上分布较大的激光强度。通过小心地调整物镜的盖玻片校正，可使该球面象差最小化。
如图8A和8B所表明的那样，将香豆素-1掺入到Akreos IOL中，在Akreos IOL材料的透射光谱中提供约50nm的红移。具有香豆素-1的Akreos IOL材料在400nm到约425nm具有相对显著的吸收，而无光敏剂的Akreos IOL材料在这些波长下基本上是透明的。
图9A和9B是具有折射线段的Akreos IOL材料的相差照片，所述折射线段写入在材料内在距离上辐照表面约200μm的深度处。在160mW的平均功率和50μm/s的扫描速率下进行辐照过程。如图9A所示，在无光敏剂的Akreos IOL材料中写入的折射线段即使有也只有很小的折射率变化，Δn<<0.005(结构的可见检测极限)。事实上，即使在相差增强下该材料内的折射线段也是很难看到的。相对比而言，如图9B所示，在相同的功率和扫描速率下在具有17％香豆素-1的Akreos IOL材料中写入的折射线段提供非常显著的折射率变化，Δn＞0.06。在相差增强下该线段是清楚可见的。
图10A和10B表明，写入的线段的折射力差异(折射率变化幅度)如何根据恒定的扫描速率和激光功率而改变。图10A表明，在具有17％香豆素-1的Akreos IOL材料中在1mm/s的扫描速率下能够形成折射线段，并且具有约0.02到0.3的Δn。这是出乎意料的结果，因为在无光敏剂的Akreos IOL材料中必须在约10μm/s下扫描才产生Δn为约0.02到0.3的类似线段。香豆素-1的存在使得可以将扫描速率增加几乎100倍。而且，即使使用相对低的激光功率即60mW，也仍能产生Δn为约0.005的折射线段。
实施例3.具有0.07重量％荧光素的Pure
Figure BDA0001243910250000271
有机硅水凝胶的制备
将荧光素(0.25g)染料溶于包含50mL乙醇和50mL水的乙醇-水混合物中。记录PureVision样品的干重。在纯水中水合该样品并记录质量。在水合步骤之后，将该样品浸泡于包含荧光素染料的乙醇-水混合物中，直到获得恒定的质量。记录在该染料溶液中浸泡之后的质量。将在该溶液中浸泡之后的质量与干质量之间的差值乘以在乙醇-水溶液中染料的质量浓度来计算掺杂的染料质量。将掺杂的荧光素染料质量与干质量的比率乘以100来计算掺杂染料的百分数。
实施例4.在Balafilcon A有机硅水凝胶中形成结构
使用在实施例2中所述的光学系统在水合balafilcon A(Pure Vision)有机硅水凝胶材料的选定区域内形成线段。在含有和不含有光敏剂荧光素的情况下进行试验。
如图11A和11B所示，将荧光素掺入balafilcon A有机硅水凝胶中，在透射光谱中提供至少150nm的红移。具有荧光素的balafilcon A有机硅水凝胶在500nm下具有相对显著的吸收(图12B)，而无光敏剂的有机硅水凝胶在这些波长下基本上是透明的(图12A)。
图12A是在距离上辐照表面约200μm的深度处被显微机械加工的balafilcon A有机硅水凝胶的相差照片。在60mW以及0.5μm/s的恒定扫描速率下进行辐照过程。如图12A所示，在无光敏剂的balafilcon A有机硅水凝胶中写入的折射线段即使有也只提供很小的折射率变化，Δn<<0.005(结构的可见检测极限)。事实上，即使在相差增强下该材料内的线段也是很难看到的。相对比而言，如图12B所示，在相同的功率和5.0μm/s的恒定扫描速率(比无掺杂的balafilcon A增加十倍)下在具有0.17重量％荧光素的balafilcon A有机硅水凝胶中写入的折射线段提供非常显著的折射率变化，Δn为约0.02到0.03。在相差增强下该折射线段是清楚可见的。而且，即使用相对低的激光功率即60mW，用1mm/s的恒定扫描速率也仍能产生Δn为约0.01的线段。
图13是示出在未用荧光素或香豆素-1掺杂的或用荧光素或香豆素-1掺杂的balafilcon A材料中折射率变化相对于扫描速率的图表。该图表表明，光调节效果在用光敏剂掺杂的水凝胶材料中显著增强。材料的掺杂使得可以将通过该材料的激光扫描速率(即，在该材料中形成折射线段)增加近100倍以在该材料中获得相当的折射率改变。
在实施例2和4中，通过将波长为632.8nm的非偏振He-Ne激光光束聚焦在这些阵列上并监测衍射图样来研究折射结构(线段阵列)。衍射角显示很好地符合以下衍射方程：
mλ＝dsinθ (1)
其中m为衍射级，λ为入射激光光束的波长，此处其为632.8nm，而d为光栅周期。
可测量所写入线段阵列的衍射效率，并且因为该效率是折射率变化的函数，因此其可用于计算在激光辐照区域中的折射率变化。设想光栅为相光栅，其透射率函数可写作：
Figure BDA0001243910250000281
其中a为光栅线宽度，d为纹槽间距，Φ2和Φ1分别为通过线和周围区域的相位延迟，
Figure BDA0001243910250000283
和
Figure BDA0001243910250000282
b为光栅线的厚度，n为材料的平均折射率，Δn为光栅线中平均折射率变化，和λ为测量的入射光波长(632.8nm)。此处，光栅线宽度为1μm且厚度为3μm。激光作用区域内的折射率变化可近似为一致。可使用卷积定理计算光栅的光谱，诸如：
Figure BDA0001243910250000291
然后，光栅衍射图样的强度分布为：
Figure BDA0001243910250000292
由该公式，第0(I0)、第1(I1)、第2(I2)级衍射光的强度为：
Figure BDA0001243910250000293
Figure BDA0001243910250000294
以及
Figure BDA0001243910250000295
通过比较第1衍射级、第2衍射级和第0衍射级的光强度，可以确定光栅线内的折射率变化。图3表明在PV2526-164中光栅的第1和第2衍射级与第0级的强度比分别为0.1374和0.0842，通过分析确定相应的折射率变化为约0.06。使用相同的方法，我们确定RD1817和HEMA B中的平均折射率变化为0.05±0.0005和0.03±0.0005。因此，这证明了材料的折射率可通过向其施加超快激光而改变。
实施例5.
在以下实施例中使用具有克尔镜头锁模钛蓝:宝石激光器的飞秒激光振荡器(来自Newport的MaiTai HP)，该激光振荡器在690nm到1040nm的可调波长范围下产生具有100fs脉冲宽度和80MHz重复频率的脉冲。在这些试验中，用可变衰减器减弱和调节在物镜焦距处的平均激光功率，并将其设置在低于160mW(2nJ脉冲能量)以避免水凝胶聚合物中整体的光学损伤。三个具有100nm分辨率的Newport VP-25XA线性伺服工作台形成了3D的平滑扫描平台，该平台受计算机控制和编程。聚焦物镜是60X 0.70NA Olympus LUCPlanFLN长工作距离的物镜，其能够精确地校正球面象差并且在该材料表面下的不同深度处产生几乎衍射限制的激光焦点。
在激光脉冲辐照序列期间，将光学水凝胶聚合物材料在两个盖玻片之间的夹心板结构中保持在水环境内，并将其水平安置在扫描平台上。通过聚焦物镜将飞秒激光脉冲垂直地聚焦在水凝胶样本内。对不同的聚合物水凝胶和不同的平均激光功率使用从0.4μm/s到4mm/s的不同的水平恒定扫描速率。使用CCD摄像机监控辐照过程并且测定等离子照明，其表明激光诱导材料击穿的开始。在激光辐照之后，去除该材料并在校准的Olympus BX51显微镜下用不同的模式观察。用如L.Ding等人在“Large refractive index change insilicone-based and non-silicone-based hydrog el polymers induced byfemtosecond laser micro-machining”,Opt.Express 2006,14,11901-11909中描述的光栅实验或用校准微分干涉相差(DIC)模式显微镜来测量辐照区域的折射率变化。
实施例5A-5D
制备包括甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)和不同浓度的荧光素-甲基丙烯酸酯(Fluo-MA)的光学水凝胶聚合物材料，并在表1中概括。制备母料单体批料，其包含HEMA(83.7重量％)、MMA(13.7重量％)、EGDMA(0.51重量％)和AIBN(0.1重量％)引发剂。将适量Fluor-MA添加到单独的单体制备物中以提供具有表1所列出的重量％的Fluor-MA的单体混合物。根据本领域公知的方法聚合该单体混合物并固化成700μm厚度的平坦薄膜。
该HEMA基水凝胶聚合物具有约28重量％的含水量和1.44的平均折射率。通常使用Ocean Optics HR4000分光计测量它们的透射光谱。
表1
Figure BDA0001243910250000301
图14示出未光敏化的水凝胶材料以及用不同浓度的Fluor-MA掺杂的几乎相同水凝胶材料的透射光谱。如图所示，集中在约350nm到约450nm的吸收峰随着Fluor-MA浓度的增加而增加。每种Fluor-MA掺杂的水凝胶材料在近红外区中保持透明，然而在较高的掺杂浓度下观察到一些散射损失。
用飞秒脉冲序列在800nm和120mW的平均功率下显微机械加工(辐照)每种HEMA-基水凝胶材料。水平周期性的线阵列通常以不同的恒定扫描速率被写入到该材料上表面之下的约100-150μm。测量每种材料在不同的扫描速率下的折射率变化并在图15中示出。折射率变化的程度随着恒定扫描速率的增加而减小。例如，未掺杂材料在3μm/s的扫描速率下的最大折射率变化为约0.03±0.005。如果扫描速率小于2μm/s，则在未掺杂材料中观察到碳损伤斑点。此外，折射率变化的程度随着扫描速率的增加而很快减小。在大于10μm/s的恒定扫描速率下，折射率的变化太小以至于在我们的试验中测量不到(＜0.005)。
相对比而言，对于掺杂的水凝胶材料而言，我们需要显著增加扫描速率以避免该材料的光学损伤(碳化)，我们认为该损伤是由积累的热量所导致的。对于具有0.0625％Fluo-MA的实施例5B而言，需要至少40μm/s的扫描速率以避免该材料的碳化损伤。对于具有0.5％Fluo-MA的实施例5E而言，甚至在500μm/s的扫描速率下也观察到在该材料内损伤的小斑点迹象。此外，在600μm/s的恒定扫描速率下辐照实施例5E，我们测量到0.085±0.005的折射率变化。
通常，折射率变化的程度在恒定的扫描速率下随着Fluor-MA掺杂浓度的减小而减小。例如，在1mm/s的扫描速率下，对于0.5％和0.0625％Fluor-掺杂的材料而言，测得的折射率变化分别为0.065±0.005和0.005±0.002。事实上，对于0.5％Fluo-MA材料而言，在4mm/s的扫描速率下获得0.025±0.005的折射率变化。这些结果表明，如果Fluo-MA共聚合到聚合物网络内则可显著提高水凝胶聚合物内的非线性吸收。
在比未掺杂材料快1000倍的恒定扫描速率下可以观察到大的折射率变化。如果在实施例5的水凝胶材料中的Fluor-MA浓度太高，即大于3重量％，则我们开始看到在水凝胶聚合物网络内形成聚集体(散射中心)。因此，对于实施例5的HEMA-基材料而言，Fluor-MA的浓度为从约0.05重量％到约2重量％，或从0.1重量％到约1.5重量％。总而言之，我们已经表明，当增加聚合物水凝胶中的光敏剂单体Fluor-MA的浓度时，我们观察到甚至在显著更大的恒定扫描速率下在聚焦体积内的折射率变化程度相应增加(图15)。
图16A和16B概括了我们使用如下两个不同脉冲能量的实施例5A(未掺杂)和实施例5E(0.5％Fluo-MA)的试验研究：(a)1.5nJ(120mW平均功率)；和(b)2nJ(160mW平均功率)。对于这两种水凝胶材料而言，当将飞秒激光调节到以较长波长和恒定扫描速率工作时，折射率变化的程度减小。对于实施例5A而言，对于所有激光波长，折射率变化的程度小于0.01。增加脉冲能量或者减少扫描速率的尝试仅仅导致光学损伤。对于长于850nm的所有波长，在实施例5中即使扫描速率大于100μm/s在这两个脉冲能量下均未观察到折射率变化。此外在这个波长范围内还测试了较高的脉冲能量和较慢的扫描速率，但是仅仅观察到光学损伤而折射率没有变化。相对比而言，在实施例5E中测量到显著大的折射率变化。此外，由于由该光敏化的材料提供的非线性吸收增强，因此在较短的波长下观察到材料损伤。例如，即使在2mm/s的扫描速率和1.5nJ的脉冲能量下，在小于775nm的波长下仍然观察到一些光学损伤。
在较长波长(大于800nm)下实施例5的辐照导致在材料的聚焦体积内相对大的折射率变化。图16A表明，用0.5mm/s的恒定扫描速率在900nm的波长下能够在该材料的聚焦体积内实现0.06的折射率变化。此外，通过将平均激光脉冲能量从1.5nJ增加到2.0nJ，能够实现甚至更大的折射率变化，但是观察到一些光学损伤。比较图16A和图16B的数据和图表表明，脉冲能量从1.5nJ增加到2nJ在900nm的波长和0.5mm/s的扫描速率下导致光学损伤。此外，如果扫描速率增加到1mm/s，则我们观察到非常小的折射率变化(约0.005)。
为了进一步研究波长与聚焦体积内的折射率变化的相关性，在不同的扫描速率和1.5nJ的平均脉冲能量下在700nm到1000nm的波长范围下辐照实施例5A到5E。对于每种水凝胶材料而言，折射率变化的程度随着激光波长增加而减少并且随着Fluor-MA浓度增加而增加。图17显示了在1mm/s的扫描速率下实施例5E的数据和图表。图17的数据是很有用的，因为它揭示了工作参数窗，在该工作参数窗中能够在水凝胶材料中形成折射结构，但是保持防止在该材料中形成任何显著光学损伤(散射特征)的安全工作距离。对于实施例5D和5E而言，在850nm到900nm下的辐照提供了防止光学损伤的安全工作距离，但是在给定扫描速率和平均激光功率下仍然提供显著明显的折射率变化，即0.01-0.04，对于实施例5E而言，甚至在950nm下能够看到明显的折射率变化。
如前所述，我们认为，如在水合水凝胶材料的情况下那样，水在聚合物基体内的存在对在聚焦体积内形成折射率变化起关键的作用。因此，我们研究水浓度对实施例5B到5E的水凝胶材料以及类似的但是具有较小含水量的组合物的折射率变化程度的影响。制备母料单体批料，其包含HEMA(68.6重量％)、MMA(28.9重量％)、EGDMA(0.51重量％)和AIBN(0.1重量％)引发剂。将适量的Fluor-MA添加到单独的单体制备物中以提供具有表2所列出的重量％的Fluor-MA的单体混合物。根据本领域公知的方法聚合该单体混合物并固化成700μm厚的平坦薄膜。实施例6的水凝胶聚合物具有21％的含水量。
同样地，由包含HEMA(49.0重量％)、MMA(48.4重量％)、EGDMA(0.51重量％)和AIBN(0.1重量％)引发剂的母料单体批料制备实施例7的水凝胶材料。将适量的Fluor-MA添加到单独的单体制备物中以提供具有表2所列出的重量％的Fluor-MA的单体混合物。根据本领域公知的方法聚合该单体混合物并固化成700μm厚的平坦薄膜。实施例7的水凝胶聚合物具有12％的含水量。
表2
实施例No. 6A 6B 6C 6D
Fluor-MA 0.0625 0.125 0.25 0.5
表3
实施例No. 7A 7B 7C 7D
Fluor-MA 0.0625 0.125 0.25 0.5
如表所示，实施例5到7的每组材料具有不同浓度的光敏剂Fluo-MA。图18表明，在800nm的辐照波长、1.5nJ平均脉冲能量和1mm/s的扫描速率下在这些水凝胶材料中产生了折射率变化。如所示，折射率变化程度随着所有光敏化的水凝胶材料中水浓度的减小而减少。我们认为，水凝胶的局部水浓度影响了热力学特性诸如比热、热容量等以及该材料的材料密度。在具有约28％的最大含水量的实施例5的水凝胶中获得了最大的折射率变化。此外，具有相对较大含水量的水凝胶提供形成折射结构而没有材料光学损伤的最大安全工作距离。
我们还研究了各自具有0.5％的Fluor-MA但是具有不同的含水量的实施例5E、实施例6D和实施例7D水凝胶材料的波长依赖性(参见图19)。在1.5nJ的平均脉冲能量下仅仅在实施例5E中观察到相对大的折射率变化(大于0.02)而没有任何光学损伤。然而必须注意，在这个研究中我们还使用了1mm/s的较快扫描速率。如所示，如果激光波长小于约750nm，我们仅仅观察到光学损伤。如果激光脉冲在大于800nm的波长下工作，则在实施例7的水凝胶材料(12％的含水量)中没有观察到折射率变化，但是观察到光学损伤。对于实施例6的水凝胶材料(21％的含水量)，如果辐照波长是约875nm，则观察到0.01的折射率变化，而没有光学损伤。
在所述方法中可用的光学水凝胶材料由表4中所列的聚合物单体配制物来制备。
表4
配制物 范围(重量％) 优选范围(重量％)
亲水性成分 65至90 78至90
(甲基)丙烯酸烷基酯成分 5至20 10至16
芳族成分 5至20 10至16
交联剂 0.1至2.0 0.5
光敏剂 0.4至4.0 1.0至2.5
AIBN 0.05至0.5 0.05至0.3
在所述方法中可用的光学水凝胶材料由表5中所列的聚合物单体配制物来制备，且作为实施例8和9。实施例8和9通过非常缓慢地逐渐加热至90℃的最高温度并随后通过高压灭菌来灭菌而热固化成1毫米厚度的薄膜。为了获得在材料高压灭菌后仍稳定的光学透明聚合物材料，在聚合过程中有必要包括溶剂增容剂。这种溶剂增容剂包括极性有机溶剂，诸如乙酸乙酯或DMF。溶剂增容剂的量基于所述单体成分的总重量在7重量％至20重量％之间变化。
表5
实施例 8 9
HEMA 84.5 83.6
MMA 13.8 13.7
EGDMA 0.5 0.5
单体X 1 2
AIBN 0.1 0.1
单体X是2-[3′-叔丁基-2′-羟基-5′-(3”-甲基丙烯酰基氧基丙氧基)苯基]-5-氯苯并三唑；
HEMA是甲基丙烯酸2-羟乙酯；
MMA是甲基丙烯酸甲酯；
EGDMA是二甲基丙烯酸乙二醇酯；以及
AIBN是偶氮二(异丁腈)。
具有梯度折射率的折射结构
不排除对任何晶状体材料或材料的改性，例如包含光敏剂，或本文如上所述的激光参数，上述公开的技术和设备可用于改变折射特性，并且因此可用于改变光学聚合物材料的折光倍率(或屈光度)，所述光学聚合物材料通常为光学水凝胶材料，为人工晶状体或角膜嵌体的形式，但不限于此，上述改变通过在一维、二维或三维光学材料中形成(或机加工)具有梯度折射率的折射结构来实现。梯度折射率结构可通过连续扫描连续的飞秒激光脉冲流来形成，所述激光脉冲在光学材料内在至少一连续段(扫描线)内并沿着至少一连续段(扫描线)具有可控聚焦体积，同时改变扫描速率和/或平均激光功率，其沿着段在聚合物中产生梯度折射率。相应地，而不是形成具有在材料中折射率恒定变化的折射结构的离散的、单独的、或甚至分组或聚集的相邻段，通过连续扫描连续的脉冲流在折射结构内形成梯度折射率，并且由此在光学材料内形成梯度折射率。如将在下面更详细地描述的那样，由于在材料中的折射改变由多光子吸收过程产生，因此针对球形(和其它)象差校正的良好可控的聚焦体积将会产生段，所述段在扫描长度上具有一致的深度，并且如果需要的话具有固定的深度。如进一步说明的那样，当由飞秒脉冲组成的紧密聚焦激光束以较高的重复频率辐照到在入射激光波长下为透明的材料时，如果在远离聚焦区域的材料上具有任意影响的话，影响也很小。然而在聚焦区域中，强度可超过每平方厘米1太瓦，并且同时吸收两个或更多个光子的可能性会变得显著。特别是，通过在辐照材料内掺杂或以其它方式包括选定的发色团可调节双光子吸收的量，所选定的发色团在适当波长(例如，750纳米和1100纳米之间)下表现出较大的双光子吸收横截面，如已经描述的那样其可显著增加扫描速率。此外，多个段可使用针对不同段的扫描速率和/或不同的平均激光功率水平写入到该材料的层中，以形成横过(即横向于扫描方向)该层的梯度折射率分布。此外，多个间隔开的梯度折射率(GRIN)层可沿着z-方向(即，通常通过材料的光传播方向)写入到材料内以在材料中以提供用于校正患者眼睛的一些、大部分或所有高阶象差所需的折射率变化。
为了将折射GRIN层或结构写入到材料中，有利的是校准扫描速率和激光功率对聚焦体积内所测得的材料折射率变化的影响。作为一个实例，我们以不同的写入速度制备为衍射光栅形式的10个折射结构，同时保持所有其它参数不变，并测量所得到的衍射效率，并由此确定材料折射率的变化。
图20显示在
Figure BDA0001243910250000361
类材料中在一组给定的操作条件下作为以mm/sec为单位的扫描速率函数的折射率变化，所述给定的操作条件为：400毫瓦的平均激光功率，100fs的脉冲宽度，800纳米的波长以及用0.7NA空气浸没式显微物镜聚焦。图20还示出对数据的经验性拟合。使用这种经验性拟合，人们可通过简单地变换关系来获得作为折射率变化所需变化函数的扫描速率。然后，通过使用图20中所示的校正曲线，人们可以通过改变扫描速度来写入具有所需折射率梯度的折射结构。备选地，或与改变扫描速率相结合，人们可以通过改变激光(平均)功率来写入具有所需的折射率梯度的折射结构。
对于眼科应用而言，特别关注的是GRIN折射结构具有低的散射(如上所述)和高的光学质量。图21以横截面示出具有前表面602和后表面604的眼睛用水凝胶材料600，其中具有1微米至10微米的厚度、并由层间距离(在z-方向上)间隔开的横向GRIN层605-N被写入到光学聚合物材料内。如图所示，光610(以波的形式示出)通过前表面602进入到光学材料600中且在接触第一梯度折射率层605–1之前通过该材料传播距离D。每个梯度折射率层600-N包括多个段，如上所述通过在x方向或y方向上扫描可以写入或形成所述多个段。当然对于本领域普通技术人员而言应当理解的是人们也可以在位于所限定的xy平面(绕z-轴的旋转)内的任何方向上扫描，或以与z-轴成从45度至135度的任何角度扫瞄。然而为了保持简单说明起见，梯度层600-N示出与z-轴以及入射光波610基本成90度，且沿着扫描段(即，线段)延伸或通过扫描段形成，所述扫描段沿着x-轴。同样，为了保持简单和仅仅用于说明的目的，沿着扫描方向的线段通过保持沿着扫描方向的恒定扫描速率和恒定平均激光功率来形成。因此，每个线段将提供相对于沿着扫描方向恒定的材料折射率的折射率变化。
在沿着x-方向写入一条线段之后，写入相邻的线段。使用相同的扫描速率和激光功率可以写入相邻的线段，从而提供与先前写入线段相同的折射率变化。备选地，扫描速率可以减少，而激光功率不变，从而导致与先前写入线段相比的较大折射率变化。如前所述，为了确保在相邻段之间存在的很少或没有的光学材料免受折射率变化，则相邻段之间的间隔优选小于两个相邻段的平均线宽度。写入线段的这个过程一直持续到写入所需数目的段，并具有横过段(即横过GRIN层尺寸)的所需梯度折射率分布。
最后，随着光波传递通过所述多个GRIN层605–N，光波由于来自各个GRIN层的作用而转向并离开后表面604。光波的转向提供了校正过的波阵面612，其给材料提供折光倍率(屈光度)变化，这依次又可用于校正患者的视力。
图22代表通过刚刚相对于图21所述的过程在光学材料内写入的GRIN层。图22最佳地描述成从上向下看到图21的第一梯度层605-1上的俯视图。如图所示，GRIN层605–1包括多个(N个)线段705–1，705-2，705-3，…，705-N，所述线段基本平行，且每一线段具有约一至五微米(例如，2微米，3微米，或4微米)的线宽度，且段间间距小于线段的线宽度(如图所示，对于约等于线宽度的线段而言)，或者对于两个相邻扫描段的可变段宽度而言，段间间距小于小于两个相邻扫描段的平均线宽度。参照图21，通过沿着x-方向扫描4毫米形成线段，以沿着扫描方向的折射率恒定变化的方式写入线段。值得注意的是，仅仅为了描述的目的，这些段编号为705-1，705-2，705-3，…，705-N，但每一代表性的线段实际上是已被写入到材料内的几百条线段的集合。这对于本领域的技术人员而言可以很好地理解，因为人们会即刻认识到所描绘的15条线段(其中每一条线段分别例如具有5微米的线宽度和4微米的段间间距)在y方向上只会覆盖约60微米的距离，而所形成的实际结构在y方向上延伸约1.8毫米。因此，所写入段的实际数目总共已接近4500个段(每个描绘的段代表约300个写入的段)。此外，各段之间所描绘的白色线段仅用于区分每个相应段的写入。实际上，在段之间存在很少或没有折射率未改变的材料的间隔。特别地，从梯度层605-1最左边开始，当一条线段在y方向上侧向移动时每个相邻段被写入。在这一个实例中，总共表示或描绘十五(15)条线段，直到获得梯度层的所需宽度。如图所示，梯度层605-1具有1.8毫米的宽度，并包括沿着y-方向的梯度折射率变化和沿着x-方向的恒定折射率变化。
如图所示，梯度折射率层605-1具有抛物线式梯度折射率分布，其中当一条线段在y方向上从段705-1向左移动到705-8时，折射率变化增加。同样，人们可以至少两种方式提供横过段的折射率变化：一种是当一条线段沿着y-方向移动时减小各段的扫描速率，或另一种是当一条线段沿着y-方向移动时增加各段的平均激光功率。当然，本领域的普通技术人员可以利用其它辐照或光学条件来获得类似结果。一旦完成段705-8，扫描速率增加，或针对段705-9减小平均激光功率，由此当一条线段沿着y方向持续移动时设置折射率变化的减小趋势，直至段705-15被写入。
图23A和23B是图22所示GRIN层605-1的梯度折射率分布的图形表示。图23A是适于梯度层605-1选定段705-N折射率变化的图形表示。折射率的上述变化是相对于聚焦体积外的光学材料的折射率的。如图所示，段705-4和相应的段705-12以选定的扫描速度和平均激光功率写入，以便提供沿整个段长度的材料的0.02的折射率变化。同样，段705-6和相应的段705-10以选定的扫描速度和平均激光功率写入，以便提供材料的0.03的折射率变化。段705-8以选定的扫描速度和平均激光功率写入，以便提供材料的0.04的折射率变化。图23B是沿着梯度层605-1的y-轴的梯度折射率分布的图形表示。尽管图23B描绘成在y-方向上的平滑连续曲线，但是本领域的普通技术人员应当理解的是，部分地由于所述的过程和聚焦体积所涉及的尺寸以及准确设置激光系统扫描坐标的能力，在实际梯度分布上有可能存在一些变形或锯齿形化。
还应当由本领域的普通技术人员理解的是，沿着y-方向的梯度折射率分布可具有任何预先选定的形状。而图23B中描绘的梯度分布将具有正晶状体元件的效果，可以容易地制备具有变换梯度分布的一个或多个梯度折射率层，从而提供负晶状体元件的效果，如图24所示。
除了沿着y-方向写入梯度折射率分布或作为其的替代，人们也可以沿着扫描方向写入梯度折射率层。图25A至25C示例性地示出沿着扫描方向的梯度层的一些优选的梯度折射率分布。如上所述，在扫描期间，即，当每段被写入时，可通过调节激光功率或改变扫描速度来形成这种的梯度层。图25A示例性地示出材料的折射率变化可如何沿着整个扫描方向以大致恒定的速率增加。类似地，普通技术人员也也可以设想材料的折射率变化可如何沿着整个扫描方向(未示出)以基本恒定的速率减小。图25B示例性地示出材料的折射率变化可如何沿着扫描方向到线段中点的一半以大致恒定的速率增加，然后以基本恒定的速率减小到段的末端。类似地，普通技术人员也可以设想材料的折射率变化可如何沿着扫描方向到线段中点的一半以大致恒定的速率减小，然后以基本恒定的速率增加到段的末端(未示出)。图25C示例性地示出材料的折射率变化可如何沿着扫描方向到一些转变点以大致恒定的速率增加，然后以基本相同的速率减小到段的末端。类似地，普通技术人员也可以设想材料的折射率变化可如何沿着扫描方向到一些转变点以大致恒定的速率减小，然后以基本相同的速率增加到段的末端(未示出)。所述的梯度折射率分布仅仅为了描述性目的来提供，且本领域的普通技术人员当然可以设想任何数目的梯度折射率分布。例如，由本领域的技术人员可以很好地理解的是，材料沿着段的折射率变化可以是恒定的，或以多于一个的变化速率沿着段以逐步的方式或连续地增加或减小。
对于如上所述的沿着扫描方向的每一示例性梯度折射率分布而言，所述一个或多个梯度折射率层的类似梯度折射率分布可通过改变横过GRIN层的至少5个或更多相邻段(例如5至1000段)、至少30个或更多相邻段(例如30至1000段)、至少一百个或更多相邻段(例如100至1000段)或在GRIN层的至少5个或更多相邻段(例如5至1000段)、至少30个或更多相邻段(例如30至1000段)、至少一百个或更多相邻段(例如100至1000段)之间的折射率变化而实现。图26A至26C示例性地示出横过不同段(即基本横向于扫描方向)的梯度层的一些优选梯度折射率分布。如上所述，通过在相邻段区域中调节激光功率或改变扫描速度可形成这样的梯度层。图26A示例性地示出材料的折射率变化可如何沿着一系列相邻段以大致恒定的速率增加。类似地，普通技术人员也可以设想材料的折射率变化可如何沿着一系列相邻段以大致恒定的速率减小(未示出)。图26B示例性地示出材料的折射率变化可如何沿着相邻段的第一区域以大致恒定的速率增加，然后沿着相邻段的第二区域以大致恒定的速率继续减小。类似地，普通技术人员也可以设想材料的折射率变化可如何沿着相邻段的第一区域以大致恒定的速率减小，然后以大致恒定的速率沿着相邻段的第二区域增加(未示出)。图26C示例性地示出材料的折射率变化可如何沿着相邻段的第一区域以大致恒定的速率增加，然后沿着相邻段的第二区域以不同的速率继续减小。
图26A至26C示例性地示出梯度折射率层的横向于扫描方向的一些梯度折射率分布。梯度分布绝不仅限于这些形状。例如，本领域的技术人员应该很好地理解的是，横过多个段的材料的折射率变化可以是恒定的，或以多于一个的变化速率沿着段以逐步的方式或连续地增加或减小。
当在眼用装置中写入梯度折射率微观结构时，在某些条件下，在结构一些区域中的累积的相位差异可超过2π。在那些区域中，可改变梯度折射率结构的设计以便提供模为2π的相移。换言之，在相移处于2π至4π之间的区域中，可将2π的恒定相移从总相移中减去。类似地，如果根据设计，相移将相移设置在4π至6π范围内，然后可将恒定的4π相移从该区域的设计中减去。在某些情况下用于解释相移的该过程可有利地有助于减少总的装置写入次数。
如前所述，根据装置的所需功能性要求，折射率变化将以规定方式在每一梯度折射率层中变化。例如，如果需要聚焦晶状体，有利的是使得折射率变化以二次方的方式变化。如果最大的折射率变化处于中心，以及变化向外边缘减小，则结构将提供聚焦能力。在相反情况下，当折射率变化在边缘处最大以及朝向中央减小时，这样的结构将提供发散或负的聚焦能力。此外，如果一个或多个层605以给定的幅度和取向(例如x-方向)的二次方折射率变化被写入以及一个或多个不同的层以不同幅度和取向(例如y-方向)的二次方折射率变化被写入时，导致散光交叉圆柱晶状体结构，其适用于人工晶状体中的视力校正。折射段也可写入成从中心位置向外成辐射状的同心段，或写入成弧形或曲线段。此外，折射段可写入成平面层(相对恒定的厚度)，或折射段可在z方向上变化，即，在厚度上变化。
在一个示例性方面，我们写入圆柱体晶状体结构，其具有如图21所示的一维二次方梯度折射率结构，所述梯度折射率结构具有如图22中所示的3层GRIN层，每层为5微米厚，(在z方向)间隔开10μm。因此，在每层GRI层之间存在厚度为约5微米至7微米的未改变的光学材料的层。所得到的圆柱体晶状体的设计沿着所述装置的长度提供约1屈光度的散光均匀性。
图27示出晶状体结构1801(矩形区域)的特怀曼格林干涉仪图像(图27B是图27的示意性表示)，其示出在晶状体区域中的标称二次相位轮廓线1802。插入框示出确认相位读数抛物线性质的相位形状测量。在xyz高速压电平移工作台和扫描程序中的不完善引起导致随机相移的局部折射率波动，但条纹的整体外观与所预期的是一致的。人们可以推测到通过扫描过程中的不均匀性(在扫描速度或在线间距上)会导致所观察到的相移。此外，我们使用的3D高速超声波压电工作台(Polytek PI)表现出一些回程误差，其中返回的扫描线位于初始扫描线的高度之下的几微米处，这可能会造成一些随机的相位误差。所测得的散光(针对玻璃和水凝胶基材中的任何基线散光校正)沿着样品的长度在+0.3和+0.9屈光度之间改变。
具有梯度折射率的折射结构是高度通用的，并且可如上所述被写入成垂直间隔开(在z-方向上)的层，其中各GRIN层是不同的，以实现不同的效果。对于水凝胶材料而言，例如为了保持较高的折射率变化，有利的是将GRIN层之间的间距保持在5微米至10微米左右的范围内。例如，为了保持装置结构紧凑，希望尽量减少GRIN层之间的间距，例如所述间距为5微米、6微米、7微米、8微米、或9微米。
在视力校正中希望不仅能够校正球面和圆柱面，而且能够校正高阶象差。还希望提供先进的设计，其可提供多焦点效果以减轻老花眼症状。此外，希望最小化“彩虹”效果，其是基于衍射的效果，其中衍射峰根据mλ＝dsinθ在一定角度处可见，其中m为衍射级，λ为所关注的波长，而d为光栅周期。当线间距大于用于观测的光的波长时，预期这种效果。例如，在我们对所述GRIN折射结构的改进中，段间间距超过相邻段平均段线宽度的相邻段表现出明显的着色或彩虹效果，但是通过将段间间距减小至小于相邻段的平均段线宽度，例如对于1微米的平均段线宽度而言段间间距为0.8微米至0.5微米，所观察到的“彩虹”效果显著降低。由于相邻段的段间间距小于相邻段的平均段线宽度，有必要在相邻段的聚焦体积中存在一些重叠。因此，重要的是尽量减少可由超过一次辐照材料体积所导致的任何材料损伤，因为我们知道材料损伤将导致光散射。
除了使用公知的自适应光学系统和技术之外，描述了对来自激光器的较短光脉冲的精确控制以便形成折射段或梯度折射率层，所述折射段或梯度折射率层可以在距离患者角膜前表面五毫米(或更大)深度处写入到IOL内以及写入到IOL内。在利用由双光子荧光信号所提供的有源反馈进行的扫描操作过程中，通过具有实时反馈的自适应光学元件保持高度(接近衍射极限)聚焦。
已知的是有效地用于将折射率变化写入到聚合物材料内的高数值孔径(NA＞0.7)的显微物镜具有约3.2mm的最大工作深度。应该进一步意识到的是，所植入的IOL可位于角膜前表面后面的5毫米或更大的深度处。此外，在角膜表面处诱发的象差显著降低聚焦光束的质量。利用水浸没式物镜提供增强的聚焦质量，但仍然具有有限的深度分辨率。此外，利用水浸没通常需要在手术过程中压平角膜表面。此外，为了将折射校正写入到IOL内部，优选的是扫描显著离轴的角膜区域，其将引入较大的较高阶象差和降低聚焦的光束质量。
这些认识到的问题激励以方法和设备形式的解决方案，其可以利用长的工作距离(例如，高达12毫米)与在扫描或写入过程中提供焦距的实时控制以及保持的扫描系统集成的高NA(即＞0.5)物镜来实现用空气浸没的衍射受限的聚焦。
根据一个非限制性的示例性实施例，在图28中示意性地示出具有实时反馈的自适应光学扫描系统1900。短脉冲激光束1901穿过计算机控制的光束衰减器1903以便设置所需的激光功率。然后光束通过放大中继透镜系统1905，其用于最优地填充显微物镜1976的入瞳。中继透镜系统的放大倍数和设计也设置成将二维振镜扫描器1907成像到显微物镜的入瞳。二维振镜扫描器可通常以大约20微秒提供光束的高速重新定位。在振镜之后，光束从可变形反射镜1904反射，其由计算机控制并响应于来自控制器1911的信号来改变形状。光线利用长工作距离产品检查物镜聚焦到眼睛1998内并进入到所植入的人工晶状体1999的内部，所述物镜具有100X NA 0.70的规格，具有10-12毫米的工作距离(诸如Mitutoyo M PLANNIR HR BF 100X NA0.70，WD 10.0毫米或M PLAN NIR BF 100X NA 0.50，WD 12.0毫米)。Z-轴或聚焦尺寸由安装到显微物镜的Z-轴扫描仪(未示出)进行控制，而通过振镜系统提供X-Y扫描。可包括提供患者头部扫描或者备选地用聚焦透镜扫描自适应光学器件的附加扫描组件。
在一个光学系统的实施方式中，回波模式(返回-检测)、外源性或内源性的(来自在IOL中用作双光子增强剂的双光子发色团)双光子荧光信号用作聚焦质量的检测器。例如，最初在患者上进行波阵面象差试验以便确定待写入到IOL内的折射结构(优选地所述GRIN结构)的数量和类型。一旦患者被适当地定位，使用OCT(光学相干断层成像)系统1913来完成初步扫描以便定位IOL的界面。然后激光器在低功率(
Figure BDA0001243910250000431
5毫瓦)下工作，并检测双光子荧光信号。在每一个所限定的栅格点处的双光子荧光信号被优化，由此在象差校正栅格中的各各扫描点处的双光子信号被优化。在每个点处，可确定赋予最高双光子荧光信号的可变形反射镜的最佳设置。然后保存这些设置以便用于扫描或写入过程。然后增大激光功率并开始折射结构的扫描或写入。在每一激光振镜扫描点处，可变形反射镜返回到提供最佳聚焦和最高双光子荧光信号的波阵面校正设置，从而在整个扫描区域中提供近衍射极限的聚焦。
象差校正栅格不必细如显微机械加工栅格，但应足够精细以便以足够精细的级别校正象差，使得在整个扫描过程中将聚焦保持在近衍射极限。例如，粗略校正的栅格可结合内插程序使用，并且象差校正可内插到栅格点内部以便使得效率更高。
人们还必须考虑到补偿当深入地写入到材料内时所导致的光学象差。使用NA 0.7的显微物镜提供动态范围方面的最佳实验结果(可获得高于基线的折射率变化的范围且在开始损伤之前)。在如此高的NA下，必须充分补偿相关象差，最重要的是球面象差。
梯度折射率(GRIN)层的论述
xyz变换系统可用于写入梯度折射率(GRIN)层。薄层(1-10微米)会导致平面内的可变相移，从而产生光线相前的弯曲。图29示出写入到一块平坦聚合物材料内的单一薄GRIN层的三维表示。正如已经论述的那样，存在其中可以写入折射结构的几种模式。因为梯度折射率变化取决于扫描速度和/或光功率的变化，我们可以使用任一种模式或者两者一起来写入折射装置。为了简便起见，我们将本文的这些称之为“速度模式”和“功率模式”。
1)在1D速度模式下，为了写入单一薄GRIN层，变换器首先设置到所需的z-位置以便设置材料内部的层高度。变换器沿着y-方向以沿着y方向均匀的速度扫描，并针对一个或多个写入段沿着x方向变化。例如，速度可被编程以便产生抛物线形的折射率变化。这将产生在x-方向上具有折光倍率(屈光度)的圆柱透镜，所述折光倍率(屈光度)在y-方向上是均匀的。在2D速度模式下，变换器沿着y-方向以非均匀的速度进行扫描，使得所述折射率变化沿着y-方向是不均匀的。非均匀的y-速度也可沿着x-方向变化，从而导致二维梯度折射率层。
2)在1D功率模式下，为了写入单一薄GRIN层，变换器首先设置到所需的z-位置以便设置材料内部的层高度。变换器沿着y-方向以均匀速度扫描，并通过针对每次y-扫描的光调制器(诸如声-光或电-光调制器)将飞秒激光脉冲的强度设置到不同的平均功率。结果，折射率变化针对每个x-位置是不同的。例如，强度可设置成产生沿着x-方向的二次方折射率变化。在2D功率模式下，在y-扫描过程中光强度沿着y-扫描连续变化，并且光强度可针对每个x-位置变化。这导致二维梯度折射率层。
这些技术的每一种可被重复，并且在沿着z-轴写入每个层之后，GRIN层被间隔开或分隔开5-10微米，例如6微米，7微米，8微米或9微米。图30示出描绘了写入到光学聚合物材料内的三层GRIN层。每个单独的GRIN层可具有与之下或之上的GRIN层相同或不同的梯度折射率分布。例如，一个层可在x-方向上具有折射率梯度以及另一层可在y-方向上具有折射率梯度。这将导致“交叉圆柱”光学方法，其类似于球面透镜，不同之处在于其能够提供一定的设计自由度。
3)速度和功率结合模式。在某些情况下，将速度和功率模式结合可能是有利的。例如，功率模式可用于沿着y-方向改变折射率变化，且扫描速度可沿着x-方向而改变，和/或相反。
4)振镜控制系统。在依赖于振镜类型控制系统的扫描系统的情况下，也能够在高速下以任意图样定位样品中的不同点，从而导致复杂梯度折射率的可能性。在这种情况下，局部的折射率变化将取决于激光功率调制和局部扫描速度。使用具有定制设计的光学中继透镜系统的二维振镜系统，我们能够将二维的梯度折射率折射结构写入到用ITX掺杂的巯烯类型的光学材料内。图31示出通过驱动振镜进出相位重复图样而获得的一些初步结果。这些通常被称为Lissajous图样。也可使用这种系统来写入具有径向对称折射率梯度的二维梯度折射率图样，以及用于这种写入过程的控制系统可以使用可变扫描速度控制和光功率控制的组合，如前针对xyz扫描情况所论述的那样。
典型地，设计用于高NA聚焦的振镜控制系统由于它们的短的有效焦距而局限于扫描小的区域(例如350-450微米直径)。为了写入相对大的折射结构，高NA的大视野光学系统很可能是有必要的。人们也可以堆叠扫描系统，例如，人们可以使用振镜扫描和样品平移的组合。诸如在图31中所示那些的平面梯度折射率结构也可写入到如图31中所示那样的多个层内，同样地，每个层的梯度折射率分布可为相同的或不同的。
所有参考文献，包括本文引用的出版物、专利申请和专利通过引用并入本文，引用的程度与如同每篇参考文献单独地引用并具体指明通过引用并入并在本文中以整体提出的程度相同。
在描述本发明的上下文中(特别是在以下权利要求书的上下文中)不带数量限定的名词术语应解释成既包括单数又包括复数，除非本文另有说明或以其它方式与上下文明显矛盾。术语“包括(comprising)”、“具有(having)”、“包含(including)”和“含有(containing)”应被解释成开放式术语(即，意为“包括，但不限于”)，除非另有说明。
本文数值范围的列举仅意欲用作单独提及的速记方法，每一个单独的值落入该范围内，除非在此另有说明，并且每个单独的值被结合到说明书中，如同其在本文中单独列举的那样。
本文所述的所有方法可以任何合适的顺序执行，除非本文另有说明或以其它方式与上下文明显矛盾。任何和所有实施例的使用或本文提供的示例性语言(例如，“诸如”)仅意欲为了更好地说明本发明的实施方式，并且不对本发明的范围构成限制，除非另有要求。
说明书中的语言都不应该解释成指示为了实践本发明所必不可少的任何未要求保护的元素。
对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可对本文所述的本发明进行各种修改和变型。绝不意欲将本发明限制到所公开的一种具体形式或多种形式，而相反，其意图是要涵盖落入由权利要求所限定的本发明精神和范围内的所有修改、替代构造和等同方案。因此，本发明意图涵盖本发明的修改和变化，只要它们落入所附权利要求及其等同物的范围之内即可。
本申请技术方案包括但不限于：
1.用于提供光学装置的屈光力变化的方法，包括以下步骤：
用光学聚合物晶状体材料提供光学装置，所述光学聚合物晶状体材料具有前表面和后表面以及与两个表面相交的光轴；以及
利用来自可见光或近红外线激光的光脉冲并通过沿着光学聚合物材料的区域扫描该光脉冲来形成位于所述前表面和所述后表面之间的至少一层由激光改性的梯度折射率(GRIN)层，其中所述至少一层由激光改性的GRIN层包括多个相邻的折射段，所述折射段具有相对于未改性聚合物材料折射率的折射率变化，以及所述GRIN层的特征在于下述项中至少一个的折射率变化：(ⅰ)横向于扫描方向的相邻折射段的一部分；以及(ii)沿着扫描方向的折射段的一部分。
2.上述1所述的方法，其特征在于位于所述前表面和所述后表面之间的所述至少一层由激光改性的GRIN层沿着第一轴线布置，所述第一轴线相对于光轴在约45度至135度之间取向。
3.上述1或2所述的方法，其特征在于所述聚合物晶状体材料包含光敏剂。
4.上述3所述的方法，其特征在于所述光敏剂包含发色团，所述发色团具有在激光波长范围750nm和1100nm之间的至少10GM的双光子吸收横截面。
5.上述3或4所述的方法，其特征在于所述光敏剂是可聚合单体的一部分，或者物理分散于光学聚合物中。
6.上述1至5任一项所述的方法，其特征在于沿着光学聚合物材料的区域扫描光脉冲包括具有0.01nJ到20nJ脉冲能量的连续激光脉冲流。
7.上述1至6任一项所述的方法，其特征在于所述光学装置为人工晶状体或角膜嵌体。
8.上述1至7任一项所述的方法，其特征在于所述多个相邻的折射段具有一至五微米的独立线宽度，以及两个相邻折射段的段间间距小于两个相邻段的平均线宽度。
9.上述1至8任一项所述的方法，其特征在于所述多个相邻的折射段具有基本平行的段。
10.上述1至8任一项所述的方法，其特征在于所述多个相邻的折射段为从中心点沿着第一轴线向外伸出的同心段。
11.上述1至8任一项所述的方法，其特征在于所述多个相邻的折射段为弧形段或曲线段。
12.上述1至11任一项所述的方法，其特征在于GRIN层的多个相邻的折射段的特征在于下述项中至少一个的折射率中的恒定正变化：(ⅰ)横向于扫描方向的折射段的一部分；以及(ii)沿着扫描方向的折射段的一部分。
13.上述1至11任一项所述的方法，其特征在于GRIN层的多个相邻的折射段的特征在于下述项中至少一个的折射率中的增加或减少正变化的恒定速率：(ⅰ)横向于扫描方向的折射段的一部分；以及(ii)沿着扫描方向的折射段的一部分。
14.上述1至13任一项所述的方法，其特征在于所述至少一层由激光改性的GRIN层具有二次方分布。
15.上述1至14任一项所述的方法，其特征在于所述至少一层由激光改性的GRIN层表现出很少或没有散射损失。
16.上述1至15任一项所述的方法，其特征在于形成至少一层由激光改性的GRIN层包括形成二至十层由激光改性的GRIN层。
17.上述1至15任一项所述的方法，其特征在于形成至少一层由激光改性的GRIN层包括形成二至十层由激光改性的GRIN层，所述GRIN层沿着基本平行于所述第一轴线的第二轴线布置于至少一层由激光改性的GRIN层之上或之下。
18.上述17所述的方法，其特征在于所述GRIN层具有2微米到10微米的单层厚度，且多个GRIN层表现出很少或没有散射损失。
19.上述17或18所述的方法，其特征在于二到十层GRIN层具有厚度为5微米到10微米的未改性聚合物晶状体材料的层间间距。
20.一种光学装置，其包括：
光学聚合物晶状体材料，所述光学聚合物晶状体材料具有前表面和后表面以及与两个表面相交的光轴；以及
至少一层由激光改性的GRIN层，其布置于所述前表面和后表面之间，并沿着相对于光轴成45度到135度的第一轴线布置；
其中所述至少一层由激光改性的GRIN层包括多个相邻的折射段，所述折射段具有相对于未改性的聚合物材料折射率的折射率变化，以及所述GRIN层的特征在于下述项中至少一个方向上的折射率变化：(ⅰ)相邻折射段的横向横截面；以及(ii)折射段的侧向横截面。
21.上述20所述的光学装置，其特征在于所述多个相邻的折射段是线段。
22.上述20所述的光学装置，其特征在于所述多个相邻的折射段是弧形段或曲线段。
23.上述20至22任一项所述的光学装置，其特征在于所述聚合物晶状体材料包含光敏剂。
24.上述23所述的光学装置，其特征在于所述光敏剂包含至少一种双光子吸收发色团，所述发色团具有在750nm和1100nm之间的至少10GM的双光子横截面。
25.上述20至24任一项所述的光学装置，其特征在于每一GRIN层的多个相邻的折射段具有一至五微米的独立线宽度，以及两个相邻段的段间间距小于两个相邻段的平均线宽度。
26.上述20至25任一项所述的光学装置，其特征在于折射率变化是沿着折射段的横向横截面的至少之一和沿着折射段的侧向横截面的折射率的恒定正变化。
27.上述20至25任一项所述的光学装置，其特征在于折射率变化是沿着折射段的横向横截面的至少之一和沿着折射段的侧向横截面的折射率的恒定速率的增加或减少正变化。
28.上述20至27任一项所述的光学装置，其特征在于所述聚合物晶状体材料是水凝胶。
29.上述20至28任一项所述的光学装置，其特征在于所述装置选自于人工晶状体或角膜嵌体。

Claims (37)

1.用于提供光学装置的屈光力变化的方法，包括：
用光学聚合物晶状体材料提供光学装置，所述光学聚合物晶状体材料具有前表面和后表面以及与两个表面相交的光轴；以及
利用来自可见光激光或近红外激光的光脉冲通过沿着光学聚合物材料的区域扫描该光脉冲形成位于所述前表面和所述后表面之间的至少一层由激光改性的梯度折射率层，即GRIN层；
其中所述至少一层由激光改性的GRIN层包括多个相邻的折射段，所述折射段具有相对于未改性聚合物材料折射率的折射率变化，所述多个相邻的折射段是用来自激光的光脉冲通过扫描连续的飞秒激光脉冲的流而形成的，所述飞秒激光脉冲在光学聚合物材料内在连续段内并沿着连续段具有可控聚焦体积，其中两个相邻折射段的段间间距小于两个相邻段的平均线宽度，使得有必要在相邻段的聚焦体积中存在一些重叠；
并且其中所述GRIN层表现出很少散射损失或没有散射损失并且特征在于下述项中至少一个的折射率变化：(i)横向于扫描方向的相邻折射段的一部分；以及(ii)沿着扫描方向的折射段的一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中位于所述前表面和所述后表面之间的所述至少一层由激光改性的GRIN层沿着相对于光轴在45度至135度之间取向的第一轴线设置。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合物晶状体材料包含光敏剂。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述光敏剂包含发色团，所述发色团具有在激光波长范围750nm和1100nm之间的至少10GM(Goeppert-Mayer)的双光子吸收横截面。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述光敏剂是可聚合单体的一部分，或者物理分散于光学聚合物中。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中沿着光学聚合物材料的区域的扫描光脉冲包括具有0.01nJ到20nJ脉冲能量的连续的激光脉冲的流。
7.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中所述光学装置为隐形眼镜、人工晶状体或角膜嵌体。
8.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中所述多个相邻的折射段各自具有1-5μm的独立线宽度。
9.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中所述多个相邻的折射段是基本平行的段。
10.根据权利要求2所述的方法，其中所述多个相邻的折射段为从中心点沿着第一轴线向外伸出的同心段。
11.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中所述多个相邻的折射段为弧形段或曲线段。
12.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中所述GRIN层的多个相邻的折射段的特征在于下述项中至少一个的折射率中的恒定正变化：(i)横向于扫描方向的折射段的一部分；以及(ii)沿着扫描方向的折射段的一部分。
13.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中所述GRIN层的多个相邻的折射段的特征在于下述项中至少一个的折射率的恒定速率的增加或减少的正变化：(i)横向于扫描方向的折射段的一部分；以及(ii)沿着扫描方向的折射段的一部分。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述GRIN层的多个相邻的折射段的折射率相对于未改性聚合物材料的折射率的变化是正的。
15.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中所述至少一层激光改性的GRIN层具有二次方分布。
16.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中所述多个相邻的折射段是用来自激光的光脉冲通过扫描连续的飞秒激光脉冲的流同时改变扫描速度和/或平均激光功率而形成的，所述飞秒激光脉冲在光学聚合物材料内在连续段内并沿着连续段具有可控聚焦体积。
17.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中形成至少一层由激光改性的GRIN层包括形成二到十层由激光改性的GRIN层。
18.根据权利要求2所述的方法，其中形成至少一层由激光改性的GRIN层包括形成二至十层由激光改性的GRIN层，所述GRIN层沿着基本平行于所述第一轴线的第二轴线布置于所述至少一层由激光改性的GRIN层之上或之下。
19.根据权利要求18所述的方法，其中每个GRIN层具有2微米到10微米的单独厚度，且多个GRIN层表现出很少的散射损失或没有散射损失。
20.根据权利要求18所述的方法，其中二到十层GRIN层具有厚度为5微米到10微米的未改性聚合物晶状体材料的层间间距。
21.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中所述至少一层GRIN层被构造用于形成正透镜、负透镜、球状晶状体、非球状晶状体、环形晶状体、圆柱状晶状体、多焦点晶状体、景深增强晶状体元件中的至少一种。
22.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中在光学装置内形成所述至少一层GRIN层用于提供校正患者个体中被识别并量化的像差的光学装置从而给患者个体提供视力校正。
23.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中所述光学聚合物材料是水凝胶并且折射率段的辐照部分的折射率相对于未改性光学聚合物材料的折射率具有0.03或更大的正变化。
24.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中所述GRIN层的多个相邻的折射段的折射率相对于未改性聚合物材料的折射率的变化是正的。
25.一种光学装置，其包括：
光学水凝胶聚合物晶状体材料，所述光学聚合物晶状体材料具有前表面和后表面以及与两个表面相交的光轴；以及
至少一层由激光改性的GRIN层，其布置于所述前表面和后表面之间，并沿着相对于光轴成45度到135度的第一轴线布置；
其中至少一层由激光改性的GRIN层包括多个相邻的折射段，所述折射段具有相对于未改性的聚合物材料折射率的折射率变化，所述多个相邻的折射段是用来自可见光激光或近红外激光的光脉冲通过扫描连续的飞秒激光脉冲的流而形成的，所述飞秒激光脉冲在光学聚合物材料内在连续段内并沿着连续段具有可控聚焦体积，其中两个相邻折射段的段间间距小于两个相邻段的平均线宽度，使得有必要在相邻段的聚焦体积中存在一些重叠，
并且其中所述GRIN层表现出很少散射损失或没有散射损失并且特征在于下述项中至少一个方向上的折射率变化：(i)相邻折射段的横向横截面；以及(ii)折射段的侧向横截面。
26.根据权利要求25所述的光学装置，其中所述多个相邻的折射段是线段。
27.根据权利要求25所述的光学装置，其中所述多个相邻的折射段是弧形段或曲线段。
28.根据权利要求25所述的光学装置，其中所述聚合物晶状体材料包含光敏剂。
29.根据权利要求28所述的光学装置，其中所述光敏剂包含至少一种双光子吸收发色团，所述发色团具有在750nm和1100nm之间的至少10GM(Goeppert-Mayer)的双光子横截面。
30.根据权利要求25至29任一项所述的光学装置，其中每个GRIN层的所述多个相邻的折射段各自具有1-5μm的独立线宽度。
31.根据权利要求25至29任一项所述的光学装置，其中折射率变化是沿着折射段的横向横截面和沿着折射段的侧向横截面中至少之一的折射率的恒定正变化。
32.根据权利要求25至29任一项所述的光学装置，其中折射率变化是沿着折射段的横向横截面和沿着折射段的侧向横截面中至少之一的折射率的恒定速率的增加或减少的正变化。
33.根据权利要求32所述的光学装置，其中所述GRIN层的多个相邻的折射段的折射率相对于未改性聚合物材料的折射率的变化是正的。
34.根据权利要求25至29任一项所述的光学装置，其中所述装置选自于隐形眼镜、人工晶状体或角膜嵌体。
35.根据权利要求25至29任一项所述的光学装置，其中所述至少一层GRIN层被构造用于形成正透镜、负透镜、球状晶状体、非球状晶状体、环形晶状体、圆柱状晶状体、多焦点晶状体、景深增强晶状体元件中的至少一种。
36.根据权利要求25至29任一项所述的光学装置，其中折射率段的辐照部分的折射率相对于未改性光学聚合物材料的折射率具有0.03或更大的正变化。
37.根据权利要求25至29任一项所述的光学装置，其中所述GRIN层的多个相邻的折射段的折射率相对于未改性聚合物材料的折射率的变化是正的。
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