CN1089729A

CN1089729A - 激光束成型法

Info

Publication number: CN1089729A
Application number: CN93121092A
Authority: CN
Inventors: W·F·琼斯
Original assignee: Bausch and Lomb Inc
Current assignee: Bausch and Lomb Inc
Priority date: 1992-12-23
Filing date: 1993-12-17
Publication date: 1994-07-20
Also published as: MX9307596A; AU4660293A; WO1994015238A1

Abstract

一种使相干光形成一定形状的方法，其中应用了光束变化着的垂直分量和水平分量。本方法特别适用于将具有光学表面的工件加工成具有一定的轮廓。

Description

本发明涉及利用激光束照射到离轴反射性光学元件所产生的象散效应使激光束形成预期形状的一种经改进的方法。

应用相干光束（例如激光）时，为达到各种不同的目的，往往通过各种不同的光学元件照射，以不同的方式来影响光束。反射的（镜子）和折射的（透镜）光学元件都可用来影响光束。举例说，透镜或反射镜能分离光束或组合光束，改变光束的方向，或者增强光束的强度，或者削弱光束的强度（能量密度）。

一般说来，透镜造价高。此外，透镜不能完全传输相干光束，这就是说，透镜要吸收一定量的光能。随着时间的推移，所吸收的这些光能可能严重影响透镜的光学性能。结果，光束的某些性能可能发生无法预言的变化。光束的这种变化，在必须将大小固定不变的光能传送到工件上时，例如制造特别平滑的曲线或表面或者进行外科手术时，会造成很大的困难。这样，为了细致而连续地监示传送到目标上的光束强度，必须采用复杂的仪器。

许多激光蚀刻、扫描和雕刻技术往往要求有恒定的光束强度。因此，若光束强度变化，为使输出尽可能保持恒定，必须小量加以调整。这种经常性的监示和调整过程，不仅花费大，而且本来就不是我们希望进行的。此外，透镜吸收一些激光束能量，这说明没有利用激光全部潜在的光能。因此这种过程的效率低于那些光束传输率接近100%的过程。

通常，激光的用途往往受到激光器产生的原始光束大小的限制。因此，要求形状比原始光束小的光束时，就必须采用小孔或聚焦透镜来减小光束总的尺寸。同样，某特殊用途需要尺寸较大的光束时，就必须使用能将原始光束加以扩大的透镜。

在接触镜片的现场中，接触镜片上的视觉区约为6至10毫米宽。然而，准分子激光器的原始光束大约为30毫米宽，10毫米高。虽然可以采用如前面已经提到过的孔眼或修整元件使原始光束达到适合接触镜片的修整尺寸，但大家都知道，上述孔眼是会使传送的光束在透镜表面上留下衍射图样。这种附加的修整元件昂贵，而且使激光束的输光系统大为复杂。

这里使用的反射性光学元件是指镜子。大家知道，有些激光部件只装有反射性光学元件，且具有接近100%的反射率。但镜子也有其缺点。例如，为避免光直接反射回光束源所造成的损坏，必须使镜面稍微倾斜一点。这叫做将镜子安置在“离轴”位置。非平面镜，例如凹面镜或凸面镜，不言而喻是有一弧度的。光束从非平面离轴镜面反射时，产生象散效应。这种象散现象使反射光束自我配置成产生两个焦点-光束的每一轴分量（垂直和水平）的焦点-连同有一个大致位于两个焦点中间的称作“弥散度最小的弥散斑”（以下称为“斑”）的区域（见图1）。

成象系统和其它光束系统的应用，包括激光器在内，往往要求只产生和保持一个焦点，包括水平和垂直两个分量。过去，已有的激光传输系统都全力以赴增设各种装备来校正因采用离轴反射性元件而产生的象散效应。举例说，在某些激光传输系统中串联配置了一些校正镜来消除象散效应。此外，还可以在离轴镜的非平面表面中加入迫使反射光只聚焦于一个点上的抛物曲线。总之，不言而喻，在设计激光传输系统时必须完全校正或避免光照射到离轴非平面镜时所产生的象散效应。

目前还没有听说过这样的一种激光传输系统，该系统仅由一些反射性元件组成，这些元件能以可预测的方式操纵光束去利用线焦点、斑本身或沿光束路径的任何点，且具有用的光束尺寸范围。

按照本发明，公开了使相干光束形成一定形状的方法，该方法包括下列步骤：a）将相干光束照射到非平面反射性元件上;b）使反射性元件离轴倾斜;c）使光束沿目标的方向照射，从而使光束在沿光束的距反射性元件一段距离的任何点处按预期的形状形成。

在另一个实施例中，公开了一种将工件加工成一定轮廓的方法，该方法包括a）将相干光束照射到位于光束离轴位置的至少一个非平面反射性光学元件上，使相干光形成一定的形状;然后b）沿成形光束的路径将工件放到选取的一个点上，使成形光束照射到工件表面的照射点上时形成所要求的光强分布。

工件可以是一个光学表面，例如，接触镜片、角膜、人工晶状体，也可以是一个物件的表面，例如自身能在另一个表面上形成一光学表面的工具或模具的表面。

图1是采用非平面离轴反射性光学元件时所产生的象散效应的示意图;

图2是光束从非平面离轴镜面反射时光束轮廓逐渐变化的透视图;

图3是俯视该光束以看出光束的水平部分时的透视图;

图4是光束的垂直部分（即从与图3的水平观看位置转90度的位置看去）的透视图。

参看图1。图中示出了本发明的相干光传输系统，该系统有一个激光源（图中未示出）将激光束1发射到非平面镜2上。光束以一定的角度θ从镜面2反射出来，以防光束反射回到光源上。第一焦点3位于与光源一段距离处，呈聚焦的水平线形式。第二焦点5也与光源相隔一段距离，呈聚焦的垂直线形式。两焦点3和5的位置与同轴焦距F及离轴镜面的倾角α的关系可用下式表示：

倾斜平面上的焦点＝F/COSα

垂直于倾斜平面的焦点＝F＊COSα

两焦点3和5之间的大约中间位置就是叫做“弥散度最小的弥散斑”的区域4，呈矩形区的形状。弥散度最小的弥散斑的形状由光束1的形状决定。在准分子激光器的情况下，光束大致为矩形，因此弥散度最小的弥散斑也呈同样形状。已发现，斑4的大小，因而其尺度相对于原始光束1尺度的扩大或缩小是由镜面2与光束轴线形成的夹角α决定的。

这个结果与镜面的半径无关，然而，镜面半径却决定了焦距，即确定了焦点和弥散度最小的弥散斑沿光束的位置。

图2中2a处示出了从进来的光束正面位置看去的原始光束的轮廓。光束离开非平面镜面时，光束的垂直分量缩小。水平分量也缩短，直到到达第一焦点2b点，这时光束呈细水平线形式。随着光束继续离开镜面，水平和垂直分量的相对比例回到它们在原始光束中的相对比例。这个位置2C即为弥散度最小的弥散斑位置。接着，光束随着沿离开镜面的方向上行进，其水平分量逐步消失，直到到达第二焦点2d点为止。在2d点，光束呈垂直线的形式。从2e、2f和2g等点可以看出，光束在沿其路径的不同位置上取不同的形状。

图3中，光束的水平截面是通过俯视沿离开非平面镜面方向行进中的光束看去的。光束在水平截面中的最窄点出现在第二焦点3a处，这是光束呈细垂直线的位置。

图4中，光束的垂直截面是通过从侧面（即从图3的观察位置转90°的位置）看沿离开非平面镜面方向行进中的光束看去的。光束在垂直截面中的最窄点出现在第一焦点4a处，这是光束呈细水平线的位置。

本发明的传输系统可以修改得使其可以适应任何波长的相干光，例如红外光、可见光、紫外光等。此外，可以设想该反射系统可与连续波或任何类型的脉冲激光器配用。

全部采用反射性光学元件的系统可以节省系统的启动能量。这样，一个光束源就可以分出多条光束，使多个射束点容纳在一个装置中，于是可以同时按需要修整多个工件。因此可以想见，本发明的传输系统能设计成容纳按需要进行配置的多个镜面，以便在一个或多个工作台上产生一个或多个象散效应。

可以设想，发射任何波长能量的相干光束传送系统能改装成可利用其象散效应，并按需要对工件进行任何形式的表面修整。例如，发射红外光谱的二氧化碳（CO₂）激光器能发射出足以熔化或修整安置在光束路径上工件的能量，其熔化点或修整点或在焦点处、弥散度最小的弥散斑处，或在光束路径的任何点上。此外，在家都知道，发射紫外光范围激光的准分子激光器能以消融烧蚀的方式光分解有机物质和其它物质。这种消融烧蚀作用能按需要的表面效应加工放置在光束路径任何位置上的工件。

由于在象散效应的作用下光束通常有的一个焦点会分解成水平分量和垂直分量的焦点，因而可以对单一工件进行修整。例如，无须使用掩模、光圈或其它光束成形装置就可以将光束操纵得使其在垂直方向或水平方向上蚀刻、熔融、烧蚀或修整工件表面。

可以想见，本发明在要求以高度受控形式去发射强劲的激光光能以便对工件进行加工使之达到预期的表面效果的应用领域中能发挥很大作用。

此外，任何能用经选择的原始光束进行修整的工件都可以用本发明的传输系统加以修整。可以确信，本发明的传输系统对修整光学物件时特别有用。这些工件最好是那些要求在其表面进行数百微米直到小到只有大约数百埃的微小修整的工件。这类工件有软接触镜片或硬接触镜片、眼内器件、天然角膜组织和其它能做成光学清彻表面或本身能在诸如接触镜片之类的表面上形成光学表面的工件。特别适合的工件是要求有特别光滑、光学上清彻表面的接触镜片。

本发明的传输系统还可以用于诸如专门要求有已知强度的光能使之作用到有机组织的外科手术和显微外科手术（例如角膜外科手术）的医疗应用中。

最后，本发明的传输系统可与周知的激光扫描系统和技术结合使用，这样应用时，光束相对于工件移动，从而修整工件或者在工件上产生所希望有的效果。这种应用在修整接触镜片特定表面的轮廓时特别有用（见美国专利5，061，342号）。

本技术领域的行家们可以按照本说明书的教导对本发明进行其它种种修改和更改。不言而喻，本发明可用上述具体方式以外的方式实施，但均应在所附权利要求的范围内。

Claims

1、使相干光束形成一定形状的一种方法，其特征在于，它包括下列步骤：a)将相干光束照射到非平面反射性元件上；b)使反射性元件离轴倾斜；c)使光束沿目标的方向照射，从而使光束在沿光束的距反射性元件一段距离的任何点处按预期的形状形成。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相干光束是由准分子激光器发射出来的。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述准分子激光器发射出的紫外光波长范围是从大约200nm至大约400nm。

4、一种将工件加工成一定轮廓的方法，其特征在于，它包括下列步骤：a）将相干光束照射到位于光束离轴位置的至少一个非平面反射性光学元件上，使相干光形成一定的形状;然后b）沿成形光束的路径将工件放到选取的一个点上，使成形光束照射到工件表面的照射点上时形成所要求的光强分布。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述相干光束是由准分子激光器发射出来的。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述准分子激光器发射出的紫外光波长范围是从大约200nm至大约400nm。

7、一种光学表面，其特征在于，该光学表面采用包括下列各步骤的方法制备：a）将相干光束照射到至少一个非平面反射性元件上;b）使各反射性元件倾斜一个离轴角;c）将来自反射性元件的光束引到朝向工件的方向上;d）将工件放在光束路径的一个点上;e）使工件表面加工成一定的轮廓。

8、如权利要求7所述的光学表面，其特征在于，所述相干光束是由准分子激光器发射出来的。

9、如权利要求8所述的光学表面，其特征在于，所述准分子激光器发射出的紫外光波长范围是从大约200nm至大约400nm。

10、一种接触镜片表面，其特征在于，它是用权利要求7的方法修整出来的。

11、如权利要求7中所述方法修整的表面，其特征在于，该表面能在另一个表面上形成一光学表面。

12、一种角膜，其特征在于，它是用权利要求7的方法修整出来的。