CN110267765B - 用于材料处理的激光装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于材料处理、特别是用于对人眼(12)进行激光处理的激光装置(10)，所述激光装置包括脉冲激光束(16)的源(14)；检测器系统，所述检测器系统用于对通过辐射耦合输出而从所述激光束产生的多个部分光束(16’，16”)进行光电检测并提供相应检测信号，以及评估单元(24)，所述评估单元连接至所述检测器系统、用于评估所述检测信号。所述检测器系统的第一检测元件(32)提供第一检测信号，所述信号基于单光子吸收。所述检测器系统的第二检测元件(34)提供第二检测信号，所述信号基于双光子吸收。在某些实施例中，所述控制单元将所述两个检测信号的测得信号强度变成彼此的比值。假设所述激光束(16)的脉冲重复率均匀并且所述激光装置的平均功率不变，则所得比值的变化可以追溯到所述激光束16的脉冲持续时间或/和波前的变化。因为控制单元启动合适的对策，因此可以在激光装置的发射操作期间维持激光束的光束质量。

Description

用于材料处理的激光装置
技术领域
本披露涉及一种用于材料处理的激光装置。
背景技术
用于处理各种各样的材料的超短脉冲激光器的重要性越来越高。特别地，超短脉冲激光辐射可以用于在材料深处、即在表面下方的透明材料(对于辐射波长透明)中产生切割。在这里讨论的处于皮秒、飞秒或阿托秒范围内的短脉冲持续时间的情况下，激光辐射与材料之间的负责材料分离(破坏)的非线性相互作用过程主要集中在光束焦点的区域上，使得可以实现高切割准确度，同时限制不期望的附带损伤区。特别是在医疗应用中，例如在基于激光的眼睛手术中，伴随超短脉冲持续时间的、实现辐射与组织之间的期望相互作用所需的相对较低的能量密度是非常有利的。
超短脉冲激光器、特别是激光器制造商作为“全套”系统交付给顾客的超短脉冲激光器是高度复杂的系统，这些系统通常需要持续监测和调整脉冲参数以将材料处理的效果维持在期望水平。在使用超短脉冲辐射的激光器应用中，辐射与材料之间的相互作用主要基于非线性过程，所述非线性过程需要一定强度和能量密度。这可以通过辐射脉冲的强聚焦来实现，其结果是在待处理的材料中，在极小的体积内可以出现非常高的峰值强度(例如大于10TW/cm2)和能量密度(例如大于500J/cm3)。
一旦确定了待处理的特定材料的最佳脉冲参数集，通常需要将脉冲性能维持在一定范围内(不太低也不太高)的一致处理，以便使期望的主要相互作用效果与任何不期望的可能有害的副效应保持平衡。当监测激光束的光束质量时，通常可以区分两种方法：顺序法和同步法。在顺序法中，从时间上说在实际材料处理之前在单独的上游测试步骤中进行测试，在所述步骤中，例如通过测试处理样本片或直接在光束焦点的位置处直接测量某些光束参数。另一方面，在同步法中，光束测试在实际材料处理期间进行。这两种方法可以描述为离线方法(顺序)和在线方法(同步)。在使用超短脉冲激光辐射的材料处理中，在目标区域中脉冲间稳定的峰值强度是进行可靠和有效处理的关键参数。因此在这种类型的应用中，期望对峰值强度进行在线监测。
从WO 2011/060707 A1中已知一种用于监测激光束质量的在线方法。在这一点中，用于材料处理的一部分激光束被耦合输出并且聚焦在非线性晶体上，其中，通过非共振频率混合产生激光束的基本波长的二次谐波。倍频的转换效率与施加到晶体上的激光脉冲的峰值强度成正比并且因此取决于(主)激光束的脉冲的峰值强度。在可以排除其他影响因素的情况下，二次谐波的功率变化可以相应地追溯到光束质量和/或脉冲持续时间的变化。
发明内容
另一方面，本披露不通过从激光束的基本波长产生高次谐波、而是通过基于单光子吸收和双光子吸收的功率测量来便于对激光束进行在线监测。根据某些实施例，相应地提供了一种用于材料处理的激光装置，所述激光装置包括：脉冲激光束的源，检测器系统，所述检测器系统用于对通过辐射耦合输出而从所述激光束产生的多个部分光束进行光电检测并提供相应检测信号，以及评估单元，所述评估单元连接至所述检测器系统、用于评估所述检测信号，其中，所述检测信号中的第一检测信号基于单光子吸收并且所述检测信号中的第二检测信号基于双光子吸收。双光子吸收基于以下过程：如果分子同时吸收两个光子，则分子从基态跃迁至激发态。根据双光子吸收原理进行操作的检测器在基态与激发态之间具有适当选择的带隙，使得对于给定的激光辐射的波长，所述检测器仅在双光子吸收事件发生的情况下发射检测信号。与之相反，在单光子吸收中，单个光子足以引起分子跃迁至激发态。
随时间取平均，第一检测信号(即基于单光子吸收的检测信号)与激光辐射的平均功率成比例，所述激光辐射的平均功率经由公式EPuls＝Pave/frep与平均脉冲能量相关联，其中Pave描述平均功率，frep描述脉冲重复率并且EPuls描述脉冲能量。另一方面，当随时间取平均时，第二检测信号(基于双光子吸收)与检测器表面上的平均功率和峰值强度的乘积成比例，其中，峰值强度的一部分与平均功率与脉冲重复率frep、脉冲持续时间τPuls以及光斑大小ASpot(因此激光束在检测器表面上的大小)的乘积的商成比例。因此以下关系适用于第二检测信号与第一检测信号的商:
SZpd/SEpd＝c*(Pave)/(ASpot*τPuls*frep)
其中，SZpd描述基于双光子吸收事件检测的第二检测信号的时间平均值，SEpd描述基于单光子吸收事件检测的第一检测信号的时间平均值并且c描述比例常数。由于项(Pave)/(ASpot*τPuls*frep)与峰值强度成比例，因此SZpd与SEpd的商产生与激光辐射的峰值强度的比例。假设重复率frep恒定并且平均功率Pave恒定，SZpd与SEpd的商的变化可以相应地追溯到脉冲持续时间τPuls或/和光斑大小ASpot的变化，其中，所述光斑大小表示对聚焦性能的测量。
考虑到这些关系，在根据本发明的激光装置的某些实施例中提供了，所述评估单元被配置用于将所述第一检测信号和所述第二检测信号的测得值变成彼此的比值、特别是用于将所述第二检测信号的测得值除以所述第一检测信号的测得值。
特别地在对光束质量进行在线监测中，期望的是，如果光束质量不符合期望要求成立的话，能够快速地提出对策。在某些实施例中，相应地提供了，所述评估单元是控制单元的一部分，所述控制单元被配置用于根据所述第一检测信号和所述第二检测信号的测得值限定的实际状态以预定方式偏离目标状态的事实来产生至少一个预定反应。
所述预定反应可以是例如关闭所述源的操作或/和输出消息。替代性地或此外，所述预定反应可以包括通过所述控制单元控制所述激光装置的影响所述激光束的脉冲持续时间的部件、特别是可控脉冲压缩器。另一个可能的反应在于通过所述控制单元控制所述激光装置的影响所述激光束的波前的部件、特别是可控波片安排。
在某些实施例中，所述激光装置进一步包括：用于将所述激光束聚焦到待处理的物体上的聚焦光学器件；以及用于对所述激光束的焦点位置进行空间控制的焦点控制装置，其中，所述焦点控制装置包括至少一个横向控制元件，所述至少一个横向控制元件安排在所述激光束的光束路径上、在源与聚焦光学器件之间以用于对所述焦点位置进行空间横向控制。在这种情况下，耦合输出点安排在所述(主)激光束的光束路径上、在所述源与所述至少一个横向控制元件之间，在所述耦合输出点处，从所述激光束耦合输出辐射以获得所述部分光束中的至少一个。
根据某些实施例，扩束光学器件可以安排在所述激光束的光束路径上、在所述源与所述至少一个横向控制元件之间。在这种情况下，所述耦合输出点可以安排在所述激光束的光束路径上、在所述源与扩束光学器件之间。
为了使检测器系统的根据双光子吸收原理进行操作的检测器元件有高敏感性，推荐使用将部分光束之一聚焦到这个检测器元件上的聚焦透镜。
附图说明
下面参考单个附图更详细地解释本发明。图1中示意性地示出了用于材料处理的激光装置的实际实例。
具体实施方式
下面参考图1更详细地解释优选实施例。这个图示出了用于进行激光辅助材料处理的装置(总体上由10指定)。在示出的实例中，激光装置10例如用于对人眼12进行激光处理并且用于在那里产生角膜内组织切片。但是原则上，本披露不限于将激光装置10用于激光辅助眼睛手术中。除此之外，激光装置10特别是还可以用于对其他生物组织以及非生物材料进行激光切割处理。
激光装置10包括激光源14，所述激光源产生具有的脉冲持续时间在皮秒、飞秒或阿托秒范围内的脉冲激光束16。激光装置10还包括由例如F-θ透镜形成的聚焦光学器件18。聚焦光学器件18将激光束16聚焦到待处理的物体(在此为眼睛12)上。在激光源14与聚焦光学器件18之间的光束路径上还安排有扩束光学器件(扩束器)20和扫描仪22。扩束光学器件20例如借助于伽利略望远镜方式的透镜安排来使激光束16的光束截面扩展。扫描仪22用于对激光束16的焦点位置进行横向和纵向控制。对于横向偏转，扫描仪22可以包括例如以电流测定方式控制的一对倾斜反射镜或电控偏转晶体。对于纵向焦点控制，扫描仪22可以包括例如影响激光束16的发散度的光学元件，如在光束传播方向上可纵向移动的透镜或具有可变屈光力的液体透镜或可变形反射镜。即使图1的扫描仪22表示为单个功能块，也应理解的是，扫描仪22的负责对激光束16进行横向焦点控制和纵向焦点控制的部件可以沿激光束16的光束路径安排在不同点处。例如，扫描仪22的纵向控制元件可以由扩束光学器件20所包含的透镜形成，而一个或多个横向控制元件(例如扫描仪反射镜)可以安排在光束路径上、在扩束光学器件20之后。相应地，扫描仪22可以通过不同扫描部件的分布式安排形成。
为了控制激光源14和扫描仪22，提供处理器辅助控制单元24，所述处理器辅助控制单元根据存储在存储器26中的控制程序进行操作。控制程序包含确定待产生的切割几何形状的合适的控制参数(例如以激光脉冲的各个发射位置的坐标的形式)。
为了借助于激光束16产生精细且精确的切割，期望所述激光束具有高时空光束质量。为了实时监测激光束16的光束质量(在线监测)，激光装置10具有用于从激光束16产生两个部分光束16’、16”的器件。为此目的，激光装置10包括用于耦合输出激光束16的一部分辐射的器件。这些器件在光束传播方向上安排在扫描仪22的负责横向焦点控制的部件之前并且在示出的实例中还在扩束光学器件20之前、并且在图1的实际实例中包括两个半透分束镜28、30，所述半透分束镜在激光束16的光束路径上彼此前后安排。分束镜28、30各自分别从激光束16耦合输出部分光束16’、16”之一。在修改的实施例中，最初仅从激光16中耦合输出单个部分光束、接着将其分成两个部分光束16’、16”。
第一部分光束16’的传播路径上安排有第一检测器元件32并且在第二部分光束16”的传播路径上安排有第二检测器元件34。检测器元件32根据单光子吸收原理进行操作，而检测器元件34根据双光子吸收原理进行操作。第一检测器元件32发出的检测信号是对部分光束16’的平均功率的测量(计算为部分光束16’的辐射脉冲的脉冲重复率和脉冲能量的乘积)并且相应地还与(主)激光束16的平均功率成比例。另一方面，第二检测元件34提供的检测信号是对第二部分光束16”的平均功率和峰值强度的乘积的测量并且相应地还是对(主)激光束16的相应乘积的测量。为了增大双光子吸收事件发生的概率，例如在第二部分光束16”的光束路径上、在检测元件34之前安排有短焦距聚焦透镜36(例如焦距≈20mm)，所述透镜将部分光束16”聚焦到检测元件34的检测表面上。不需要特殊解释的是，聚焦透镜36可以由透镜组而不是单个透镜形成。
两个检测元件32、34的检测信号在控制单元24中汇集在一起并且被评估。特别地，控制单元24根据以下数学关系式计算两个检测元件32、34的检测信号的商：
SZpd/SEpd＝c*(Pave)/(ASpot*τPuls*frep)
其中，SZpd描述检测元件34提供的检测信号的时间平均值，SEpd描述检测元件32提供的检测信号的时间平均值，Pave描述激光束16的平均辐射功率，ASpot描述部分光束16”在检测元件34的检测表面上的光斑大小，τPuls描述脉冲持续时间，frep描述脉冲重复率并且c描述比例常数。假设脉冲重复率frep恒定并且平均功率Pave恒定，因此比值SZpd/SEpd的变化可以追溯到脉冲持续时间τPuls或/和光斑大小ASpot的变化。
上述SZpd与SEpd的比值在激光束16发射期间由控制单元24计算至少一次、优选地例如以规则的时间间隔或基本上连续地重复计算。这种发射作为用激光束16处理眼睛12的实际处理程序的一部分进行。激光束16的发射也可以在时间上先前的测试程序中进行，在所述程序中，激光装置10投入操作以用于测试目的。控制单元24将激光装置10的实际状态(由SZpd与SEpd的商表示)与目标状态进行比较。一旦控制单元24确定实际状态以某种方式与目标状态不同，所述控制单元就启动预定反应。这种反应可以包括例如关闭激光源14，使得中断激光束16的发射。替代性地或此外，反应可以包括输出光学消息和/或声学消息。消息可以例如以文本或图形形式显示在监测器上或其可以包括信号灯。还可想到声学警报作为消息的一部分。代替激光源14操作中断，可想到的是，控制单元24启动合适的校正措施，借助于所述校正措施在控制回路的背景下，实际状态可以再次更接近于目标状态。可能的校正措施在于(通过控制单元24)控制合适的可控部件，借助于所述可控部件可以影响激光束16的辐射脉冲的脉冲持续时间。此类部件是脉冲压缩器38，所述脉冲压缩器例如可以包含在激光源14中作为激光谐振器下游的放大器的一部分。为了产生高脉冲强度，通常使用根据啁啾脉冲放大原理进行操作的放大器。在这种情况下，谐振器产生的脉冲首先在空间上展宽，然后在穿过放大器介质之后再次被压缩。通过适当控制用于这种压缩的脉冲压缩器，控制单元24可以相应地试图减少SZpd与SEpd的比值的测得值与期望目标值或目标范围之间的差异。
附加于或替代所解释的对脉冲持续时间的影响，可以使用的另一个可能的校正措施在于(通过控制单元24)控制用于影响激光束16的波前的合适部件。此部件可以是例如波片或此类波片安排，所述波片可插入激光源14中的光束路径上、在激光谐振器内部或外部。通过修改激光束16的波前，可以影响聚焦性能并且因此影响检测元件34的检测表面的由聚焦部分光束16”照射的那部分(即光斑大小ASpot)。
例如由商SZpd/SEpd的参考值给出目标状态，所述参考值可以存储在存储器26中并且在激光装置10的发射操作中被监测以便得到与商SZpd/SEpd的当前值的偏差。如果检测元件34(双光子检测器)的检测信号以足够的精度二次依赖于部分光束16”的平均功率以及相应地激光束16的平均功率，则针对给定的脉冲重复率frep，可以将SZpd与SEpd之间的比例因子的单个参考值储存在存储器26中就足够了。一旦商SZpd/SEpd的当前值在激光装置10的发射操作中偏离围绕存储的参考值限定的公差范围，控制单元24就启动所解释的反应中的至少一个。最重要的是，如果检测元件34的检测信号没有以期望的精度显示对激光束平均功率的二次依赖，则可想到的是，包括在激光装置10的整个功率范围内的参考曲线而不是应用于所有功率值的单个参考值，并且将所述参考曲线存储在存储器26中。此曲线分别针对激光装置10的平均辐射功率的不同值指定商SZpd/SEpd的相关联参考值。曲线可以例如以表格形式产生或用数学公式(例如具有至少三个幂的泰勒级数)表示。在激光装置10的发射操作中，根据曲线存储在存储器26中的形式基于存储的表格(如果适用，表格中包含的值对之间有插值)或基于公式持续监测对参考曲线的遵守。即使在使用参考曲线表示目标状态时，也可以确定公差范围，所述范围可以在整个曲线上具有相等的大小或(如果适用)在曲线的不同部分中具有不同的大小。
在控制单元24的某些实施例中，检测元件32、34的检测信号的测得值或/和商SZpd/SEpd的计算值连续地存储在存储器26中。替代性地或此外，所述测得值或/和计算值连续地显示在计算机监测器(图1未示出)上，使得操作者在激光程序期间接收关于激光束16的光束质量的直接信息。
根据可能的进一步发展，检测元件32、34中的至少一个可以形成为位置敏感检测器，所述位置敏感检测器的检测信号由多个部分信号组成，控制单元可以基于所述检测信号计算相关部分光束16’或16”在检测器的检测表面上的位置。专家通常熟悉可以记录光点的一维或二维位置的此类传感器并且因此可以省去更详细的解释。通过确定部分光束16’或16”的位置，控制单元24可以识别出激光束16的光束方向的可能变化并且如果检测到的变化超过一定允许变化范围，则启动合适的反应。特别地，合适的对策可以作为减少激光束16的方向变化的反应。就这一点而言，可想到的是，控制单元24为扫描仪22的负责对激光束16的光束焦点进行横向位置控制的部件(例如一对倾斜反射镜)提供相应校正的控制值，使得在扩束光学器件20之前可观察到的激光束16的方向变化减少或在扫描仪22之后甚至很大程度上消失。
替代或附加于对激光束16的方向变化的校正，控制单元可以将检测到的方向变化以激光装置10的使用者可理解的方式显示在计算机监测器上和/或将其存档在存储器26中。

Claims (8)

1.一种用于材料处理的激光装置，所述激光装置包括：
-脉冲激光束的源，
-检测器系统，所述检测器系统包括第一检测器元件和第二检测器元件，所述第一检测器元件和第二检测器元件用于：对通过辐射耦合输出而从所述激光束产生的多个部分光束进行光电检测；以及提供相应的第一检测信号和第二检测信号，
其中第一检测信号基于单光子吸收，以及第二检测信号基于双光子吸收；以及
评估单元，所述评估单元连接至所述检测器系统，用于评估所述第一检测信号和第二检测信号，
其特征在于，所述评估单元被配置为：
计算第一检测器元件和第二检测器元件的第一检测信号和第二检测信号的商SZpd/SEpd，其中SZpd描述第二检测器元件的第二检测信号的时间平均值，SEpd描述第一检测器元件的第一检测信号的时间平均值；以及
响应于商SZpd/SEpd的变化，追溯到第二检测器元件的检测表面上的激光束的光斑大小的变化。
2.根据权利要求1所述的激光装置，其中，所述评估单元是控制单元的部分，评估单元被配置用于响应于商SZpd/SEpd的变化来产生至少一个预定反应。
3.根据权利要求2所述的激光装置，其中，所述至少一个预定反应包括关闭所述源的操作或输出消息。
4.根据权利要求2或3所述的激光装置，其中，所述至少一个预定反应包括通过控制单元控制影响所述激光束的脉冲持续时间的所述激光装置的部件，具体地控制可控脉冲压缩器。
5.根据权利要求2或3所述的激光装置，其中，所述至少一个预定反应包括通过控制单元控制影响所述激光束的波前的所述激光装置的部件，具体地控制可控波片安排。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的激光装置，进一步包括：
-用于将所述激光束聚焦到待处理的物体上的聚焦光学器件，以及
-用于对所述激光束的焦点位置进行空间控制的焦点控制装置，其中，所述焦点控制装置包括至少一个横向控制元件，所述至少一个横向控制元件安排在源与聚焦光学器件之间的所述激光束的光束路径上，以用于对所述焦点位置进行空间横向控制，
其中，耦合输出点安排在所述源与所述至少一个横向控制元件之间的所述激光束的光束路径上，在所述耦合输出点处，从所述激光束耦合输出辐射以获得所述部分光束中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的激光装置，进一步包括：
-扩束光学器件，所述扩束光学器件安排在所述源与所述至少一个横向控制元件之间的所述激光束的光束路径上，其中，所述耦合输出点安排在所述源与所述扩束光学器件之间的所述激光束的光束路径上。
8.根据权利要求1-3中的任一项所述的激光装置，进一步包括：
-用于将所述部分光束之一聚焦到所述检测器系统的检测器元件上的聚焦透镜，所述检测器元件根据所述双光子吸收原理起作用。
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