CN1148154C - 用于外科手术的短脉冲中红外参数发生器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于外科手术应用的激光参数发生器，该激光参数发生器利用短脉冲，中红外辐射。中红外辐射可由泵激激光源(20)，例如掺钕激光器产生，泵激激光源(20)提供的辐射在适当的非线性晶体(15)中被参数下变频到要求的中红外范围。短脉冲把邻近区域中的不希望的热影响和变化降低到亚微米级。参数下变频的辐射源最好在3.0微米或3.0微米左右，不过最好接近与组织相关的水吸收最大值下产生脉冲持续时间小于25纳秒的辐射。下变频到要求的中红外波长最好由非线性晶体(15)，例如KTP或其同晶型体产生。在一个实施例中，使用非临界相位匹配晶体把来自近红外源发射的880～900纳米或880～900纳米左右的波长变换到要求的2.9～3.0微米波长范围。作为本发明的一部分，使用光纤、束光纤或另一波导管装置使泵激激光器与光学参数振荡器(OPO)空腔分开。

Description

用于外科手术的短脉冲中红外参数发生器
本申请是专利申请(序列号No.08/549385，申请日1995年10月27日)的部分继续申请。
最近几年，对眼睛的角膜进行整型的光折射角膜切除术(PRK)作为一种校正视觉缺陷的有效手段已得到越来越广泛的应用。这些方法通常基于利用紫外线(UV)辐射的组织体积切除，紫外线辐射一般来自193纳米ArF准分子激光器。在这种短波长下，高光子能以一种称为光化学分解的方法导致分子内部键的直接断裂。基于这种光化学机理的组织烧蚀的优点是使在邻近手术点的细胞中产生的间接热损伤减至最小。另外，分解的深度非常小，一般小于1微米，从而由UV辐射造成组织切除精确，对基底结构的损伤危险很小。
虽然基于准分子激光的方法是一种安全、有效的角膜烧蚀方法，但是存在许多缺陷，包括初始费用和工作维持费用高，光束输送系统巨大并且复杂，由于氟和臭氧气体形成而导致的安全危险，及持久可靠性问题。此外，高功率UV辐射的潜在光毒性是基于准分子激光PRK中的一个不确定危险。特别地，由于二次荧光效应，UV辐射造成一定的诱变和导致白内障的危险。
最近提出的进行角膜折射外科手术的准分子激光器的一种备选方案包括利用尤其是对应于水的吸收峰值为3微米左右的辐射，以中红外波长进行烧蚀，水是角膜的主要组成部分。这种备选系统中最关心的前提是可利用固体技术产生红外辐射，固体技术具有更易于操作，更廉价，更小型及可靠性更好的特征，同时消除了起因于与UV波长相关的毒性气体或诱变副作用的任意可能的安全问题。一种固体激光器，尤其是铒:YAG(Er:YAG)激光器发射2.94微米波长的辐射，该波长对应于水中13000cm-1以上的吸收系数。这种高吸收导致影响区域相当小，穿透深度大概小于2微米。和与准分子激光相关的光烧蚀机理，即光化学分解相反，铒波长下的烧蚀起因于水分子的光汽化，或者光热蒸发。这种方法本质上比光分解更有效，允许同时切除多达3微米的组织，从而使外科手术速度更快。这种系统已由，例如T.Seiler和J.Wollensak在“Fundamental Mode Photoablation of the Corneafor Myopic Correction”，Lasers and Light in Ophthalmology，5，4，199-203(1993)中提出。Cozean等已在PCT申请No.93/14817中描述了另一种系统，这种系统依靠刻蚀滤光器来控制利用脉动的3微米Er:YAG激光器切除的组织量。但是，虽然基于自激或长脉冲铒激光器的眼科外科手术技术已表现出一定的前途，但是它们也存在许多问题，这些问题主要涉及IR辐射导致对烧蚀区附近的组织的间接热损伤，损伤区的大小可能超过几微米，从而导致潜在的不希望的长期影响。
最近认识到脉冲持续时间小于几十纳秒的激光将产生较小的热影响。特别地，已经在红外波长观察到称为光致散裂反应的直接组织相互作用效果，从而借助较短的脉冲，辐射只与受辐射组织相互作用，对相邻的未辐射组织产生的影响可忽略。光致散裂反应是一种光机械烧蚀机理，起因于入射辐射的快速吸收及随后角膜组织的扩张。这种扩张之后是导致组织切除的双极激波。有关用于完成直接利用光致散裂反应机理切除组织的角膜外科手术的方法和设备的详细描述，参见作为本发明的母申请的美国专利US 5782822，该申请作为参考包含于此。其中公开的方法和设备利用短脉冲(最好小于50纳秒)固体激光器，该固体激光器发射最好为2.94微米或2.94微米左右的中红外辐射，扫描角膜的一个区域，以便利用相对较低能量的激光均匀辐射处理区域。正如母申请中指出的一样，这种应用所需的激光源将具有最高达30毫焦的输出能量，及最高达100Hz的重复频率，取决于输送系统的元件。
在2.94微米下操作的掺铒激光器是这种激光源的一个可选方案。在US 5782822中描述了一种小型的可靠的Q-开关铒激光器。虽然由于其简单性而有很大的吸引力，但是即使借助将来的二极管泵激，由于强的热二次光折射效应，也难以把铒激光操作扩大到高的重复频率(超过30Hz)。基频水平动力特性(fundamental level dynamics)的限制和长的上激光能级持续时间(upper-laser-level lifetime)也会协力造成对光学器件涂层的峰值功率损坏，从而在Q-开关模式下操作的铒基激光器中对20纳秒左右的脉冲持续时间施加一个实际上的下限。
认识到短脉冲(小于20纳秒)可能增大真正的光致散裂烧蚀过程的百分比，从而进一步降低起因于不希望的热影响对组织烧蚀的残余作用，最好构成能够安全并有效地满足PRK的要求的最短脉冲固体中红外激光源。理想地，这种激光源还可被调节到高的重复频率(接近100Hz)，而不会显著增大装置的费用和复杂性，或者损害装置的可靠性。
作为一种备选方法，在美国专利US 5782822中提出了一种光学参数振荡器(OPO)，它可降低来自在1.06微米或1.06微米左右操作的标准掺钕激光器，例如Nd:YAG的辐射的频率，从而在中红外波长下获得需要的参数。但是，到目前为止，还不能获得能够满足预期的眼外科治疗过程的全部要求的这种装置。例如，最近几年利用多种不同的非线性晶体，例如铌酸锂(LiNbO3)和磷酸氧钛钾(KTiOPO4或“KTP”)，已证明由1微米激光泵激的具有红外范围输出的高效OPO。感兴趣的3微米波长附近的参数振荡器的例子包括利用由100Hz单模泵激光束泵激的LiNbO3产生3.5微米下的高功率辐射(8瓦)(参见A.Englander和R.Lavi.OSA Proceedings on Advanced Solid-StateLasers，Memphis，Tennessee，1995，第163页)及利用非临界相位匹配结构中的KTP，3.2微米下0.2瓦输出的实验证明(参见，例如K.KatoIEEE J Quantum Electronics，27，1137(1991))。由于两种易于获得的候选晶体LiNbO3和KTP在2.9～3.0微米波长范围内表示出吸收，因此认为具有要求的2.9～3.0微米波长范围下的输出的光学参数装置的实现是困难的。由于使用目前的晶体生长方法，在LiNbO3晶体中存在OH带，而引起在3.0微米或3.0微米附近的吸收，因此使用LiNbO3晶体被认为尤其不可行。OPO设计的其它缺陷包括需要能够克服启动参数过程的高门限值的大功率及高光束质量泵激源。由于通过聚焦泵激光束增大泵激功率的效率受非线性晶体的离散角限制，在大多数晶体中，不能简单地通过利用小的泵激光束直径来克服门限条件。回避这个问题的一种途径是利用可被非临界相位匹配，从而导致更大的受光角的晶体(例如KTP)，但是对于1微米泵激光束波长，及成功的PRK过程所需的输送波长来说，这种结构是不可能的。不过在以0.88～0.90微米泵激的KTP(X-切割)中，输出在2.9～3.0微米范围内的非临界相位匹配是可行的。但是和1微米或1微米左右的标准掺钕激光器相比，发射这种波长范围的激光器更复杂，费用更高。
对于医疗激光仪器，通常不希望对泵激激光器提出过度严格的要求，因为这会使系统更复杂、费用更高。理想地，可商业获得的多模高斯或顶环束剖面是所希望的。但是，在本发明之前，并不清楚可具有相当大的离散度的这种泵激光束会产生必需的输出能量，而不会损坏OPO晶体和/或耦合的光学器件。另外，在高期空间剖面光束的情况下，整个晶体内峰值功率密度的不均匀分布只可产生一部分对参数产生起极大贡献的光束，从而损害了转变效率。此外，对于在升高的平均功率水平和/或高重复频率下的操作所特别关心的另一问题是KTP中的吸收(已知该吸收基本上在3.0微米波长下)。这些及其它原因阻止了迄今为止具有实用输出能量和重复频率的2.9～3.0微米脉动辐射的OPO源的实现。
本发明公开了一种用于产生2.94微米或2.94微米附近的短脉冲辐射的特定设备。该设备专门适合于以最小的复杂性和低的成本进行PRK及其它显微手术，从而极大地增大了这种显微手术对于许多患者的可利用性。此外，适当地调节该设备，该设备可用于其它一些眼科治疗过程，这些过程中选定的中红外波长下的集中脉动光束具有优点。这些治疗过程包括激光巩膜造口术、小梁切除术及玻璃体和/或视网膜的外科手术。在这些治疗方法中，需要能够实现精确、高度定域的组织烧蚀的装置。例如，在激光辅助玻璃体结合蛋白(vitroretinal)外科手术的情况下，2.94微米下的中红外辐射的应用能在玻璃体薄膜横切和必需的epiretinal组织烧蚀中提供无牵引操纵(tractionlessmaneuver)，浅的穿透深度及非常高的精确性。例如，参见J.F.Berger等在SPIE，vol.2673，1994，第146页中的描述。此外，通过利用本发明中公开的短脉冲，可以以低的流量水平有效地实施治疗过程，从而放宽了对探头几何形状的要求。在青光眼滤出过程，例如外巩膜切开术中，其中形成从眼睛前室进入结膜F区的瘘管，应用来自308纳米的准分子激光器的纳秒级低能量脉冲非常有利于治疗许多损伤严重的患者。例如，参见J.Kampmeier等在Ophthalmolge，90，1993，第35-39页中的描述。由于巩膜的高吸收特性，因此对于中红外波长，预计治疗过程可具有相似的疗效。迄今为止，妨碍中红外激光辐射广泛应用于显微眼外科手术的主要问题是缺少把能量输送给目标组织的适宜光纤。不过，本领域中的最新发展获得了多种可能的光纤技术，包括氟化锆、卤化银蓝宝石和中空波导管技术。随着损坏阈的进一步提高，能够为低能量(＜20毫焦)应用输送更短波长的脉冲，3微米辐射的足够柔韧、损耗低的光纤和适当的探头在近期将成为可能。这种光纤输送系统的出现也使短脉冲，中红外辐射在普通的内窥显微手术中具有很大的吸引力。尤其是，诸如脑、水检眼检和脊髓外科手术之类的医疗过程可受益于由与本发明的系统相关的光机械烧蚀产生的高度定域效果，因为所涉及组织的易损性限制了对周围组织的间接热损伤。当然，激光的最佳参数可随着应用、组织类型和要求的效果而变化。不过在方面，就可用输出(包括波长和脉冲持续时间的变化)而论，OPO激光器具有能够提供很大的灵活性的优点。
于是本发明的一个目的是提供一种新的改进外科手术设备，它特别适于进行角膜折射外科手术。另一目的是提供一种新的改进的光折射激光外科手术方法，这种方法以由来自掺钕激光器，例如Nd:YAG的辐射的参数下变频产生的短脉冲、中红外辐射的应用为基础。
短脉冲被认为对于降低相邻组织中的有害改变，尤其是热影响非常关键，热影响能够引起红外辐射产生的互作用点的不好的不规则边缘。借助足够短的脉冲，热损伤可被降到亚微米级，产生和通常用在折射外科手术过程中的深度-UV激光产生的烧蚀性光分解相同的临床表现。于是，本发明的关键是提供波长为3.0微米或3.0微米左右，不过最好接近2.94微米水吸收最大值，脉冲持续时间小于25纳秒的激光源。
本发明的另一目的是提供一种新的改进的激光外科手术设备，它利用基于非线性晶体，例如KTP或其同晶型体的OPO，把掺钕激光器的波长变换到3.0微米附近要求的中红外波长范围。在备选实施例中，相关目的是提供一种把来自以880～900纳米或880～900纳米左右发射的近红外激光源的波长变换为要求的3.0微米波长范围的非临界相位匹配晶体。
就另一目的而论，OPO空腔参数可适应易于获得的中等功率泵激光束，并且仍能产生脉冲能量可调节到几十毫焦水平的稳定输出。在OPO激光器的一个最佳实施例中，可适应具有高斯或顶环空间剖面，并且离散度为衍射极限几倍的单模或多模泵激光束，同时利用最少数目的组件保持简单的光学结构。
另一目的是在OPO结构中提供用于升高损坏阈的装置，以便能够适应能量输出超过200毫焦，波长为1微米或1微米左右的短脉冲泵激光束，而不会在超过10Hz，最好接近50Hz的重复频率下损害光学器件。相关目的是提供最佳OPO结构，以便为中红外范围内的要求输出得到最低的泵激门限值。
本发明的又一个目的是提供一种进行折射外科手术的新设备和新方法，它利用光纤或光纤束或一些其它波导装置使泵激激光器与OPO空腔分离。OPO部分可安放在外科显微镜上，为外科医生把激光输送到患者眼睛提供了最大的灵活性。
参考下面的详细说明及附图，将更充分地理解本发明，及本发明的其它特征和优点。
图1是图解说明根据本发明的OPO激光装置的一个最佳实施例的示意图。
图2是图解说明使用L形结构的OPO激光源的备选实施例的示意图。
图3是图解说明使用单通道泵激光束的OPO的另一备选实施例的示意图。
图4是图解说明在环形结构中使用单通道泵激光束的另一备选实施例的示意图。
图5是图解说明泵激光束通过光纤与OPO耦合的OPO激光源的最佳实施例的示意图。
公开了一种中红外激光源，所选参数能够产生具有与基于光致散裂反应机理的最佳组织去除相适应的性质的光束。最理想的是，激光光速包括一系列持续时间小于25纳秒的不连续脉冲，每个脉冲的能量大于1毫焦，以至少10Hz，但可调节到50Hz以上的重复频率发射。为了使医疗过程的持续时间降至最短，同时允许使用具有较好的重叠参数的光点尺寸来改善外科手术的效果，需要高的脉冲重复频率。脉冲持续时间的关键性特征和光致散裂反应过程的门限值有关，随着脉冲持续时间的降低，该门限值下降，从而便于使用较低的能量密度(或流量)影响烧蚀。通常，能量密度越低，越不可能发生对环绕烧蚀点的组织的热损伤。这也是产生具有类似于目前使用UV辐射获得的临床结果的高度集中的烧蚀的一个重要原因。
如图1中所示，中红外激光源1最好包括掺钕激光源泵20，掺钕激光源泵20产生包括1微米或1微米左右的短激光脉冲(最好小于30纳秒)的泵激光束50，该辐射通过光学参数振荡器(OPO)10被降频到中红外波长范围。图中所示的OPO 10包括镜子12、16和非线性晶体15。非线性晶体15作用于激光脉冲，以一种已知方式产生两个光束。具体地说，OPO的输出包括空载光束(idler beam)52和信号光束54。关于一种特定OPO的操作的详细说明，参见美国专利No.5181211，该专利作为参考包含于此。
对于折射外科手术，所需的波长是空载光束52的波长，在最佳实施例中该波长为2.89～2.98微米。在1.064微米的Nd:YAG泵激光束的例子中，信号光束54的对应波长为1.66～1.68微米。但是应明白，虽然优选2.94微米水吸收峰值附近的波长，尤其是对于PRK应用更是如此，但是如果所选的具体波长适应外科手术应用的要求，则约2.75微米到稍大于3.0微米范围内的空载波长也在本发明的范围之内。
空载光束52从二色分光镜35被反射，随后射向光束传送光学系统40，在最佳实施例中，光束传送光学系统40可包括成象和扫描装置，以便能够在角膜上的不同点选择性地除去组织，从而可以受控方式按预期地改变角膜。在美国专利US 5782822中公开了这种装置，该专利申请作为参考包含于此，该装置对于本发明并不是关键性的。信号光束54通过分光镜35被传送给束流收集器32。残余的信号光束54可由共同表示为衰减器34的附加反射器进一步衰减，衰减器34可放置在空载光束52的路径上，以防止信号光束54的信号波长的任意干扰进入输送系统40。
在图1的实施例中，选择OPO空腔10中的镜子12、晶体15和镜子16的涂层和位置，以构成适于产生空载波长的单谐振振荡器(SRO)结构，该单谐振器具有利用进入晶体中的泵激光束50的未覆盖部分的背反射进行进一步处理的附加特征。这样，涂覆镜子12，以便极大地透射1.0～1.1微米之间的波长，并且极大地反射2.8～3.0微米之间的空载波长。涂覆镜子16，以便部分反射2.8～3.0微米之间的波长，并极大地透射信号光束54的1.65～1.7微米之间的波长。这样信号光束54通过振荡器空腔而不被反射，而空载光束52被共振，以确保中红外波长下的最大输出。最好，也把镜子16涂覆成高度反射1.0～1.1微米之间的泵激波长。但是，并不是必需提供最后这种高反射，不过这种反射通过降低参数过程的能量门限值，有利于设备更有效地操作。
一种备选的SRO结构是双谐振振荡器(DRO)，其中空载波和信号波均被共振。通常，已知DRO具有较低的振荡门限值，但是其缺点是镜面涂层更复杂，对准过程稍困难。尽管如此，虽然由于SRO更为简单，并且组件成本较低而优先SRO，但是DRO结构被认为是某些情况下的备选实施例，这种情况下振荡门限值显著降低是有利的。应注意虽然DRO输出被认为不如SRO的输出稳定，但是对于其中只利用包括多种纵向振荡模的泵激光束的本应用来说，这不是问题。于是在这里讨论的所有OPO结构中，DPO是一种可接受的变形。
本领域的普通技术人员显然知道镜子12和16的表面可以是平的、凹的或凸的。在最佳实施例中，平坦的表面有利于转变多模泵激辐射，因为模式匹配将由泵激光束50控制，而不是OPO空腔。这种情况下起因于高次横模的效率降低不严重。由于平面平行OPO的谐振模由一束平行光组成，因此也不需要聚焦泵激光束的透镜，从而使整个OPO激光器设计进一步简化。也可使用凹-凸表面，不过对准稍微复杂，因为需要提供使泵的腰部与OPO谐振腔模的小腰部(small waist)相一致。在这种结构中，模式匹配是需要考虑的重要问题，因为任何模式不匹配将导致光学参数振荡的增益的降低，随之导致门限值的增大。在最佳实施例中，在限制由输送系统，而不是OPO的需要所指示的许可离散的情况下，复杂程度较低，并且更廉价的泵激激光器可提供多模光束。
泵激激光器20一般由受闪光灯或二极管阵列泵激的掺钕激光棒，例如Nd:YAG组成。具有要求能量、峰值功率和重复频率的闪光灯和二极管泵激激光器均众所周知，并且可商业获得。其它合适的激光媒质包括诸如Nd:YLF、Nd:玻璃和Nd:YAlO3之类的晶体，所有这些媒质提供在本发明应用覆盖范围内的波长下的基本辐射。
晶体15最好包括具有非线性系数、相当宽的角度和温度带宽、高的损坏阈及在空载或信号波长下的最小吸收的非线性材料。理想地，可非临界地被相位匹配的晶体将是首选，因为这将导致使即使光束质量差的激光光束也能在长晶体中被容易地转变的最大的可能离散角。在非临界相位匹配(NCPM)安排中，对晶体定向，以便沿着平行于晶体的主轴(X、Y或Z)之一的传播方向实现相位匹配。实际上，利用目前可获得的材料和激光器可能不能满足对于指定应用的这种标准。另一方面，具有临界相位匹配(CPM)的晶体也是可接受的，只要离散角和角度带宽足够高，足以能够实现不一定是单横模的光束的有效转变即可。我们已确定被称为磷酸氧钛钾(KTiOPO4或“KTP”)的晶体能够满足这种应用的要求，即使KTP不能与在利用1.06微米激光泵激下选择产生的空载波长非临界相位匹配。还已知KTP晶体在3微米或3微米附近表现出一定的吸收，通常这是由于生长过程固有的残余OH-基的存在引起的。这种吸收，如果过大，会阻碍KTP在高重复频率应用方面的应用。
但是，我们已确定即使由于当前的材料生长能力而存在这种吸收水平，不过在适当的条件下，KTP仍然适于作为角膜刻蚀应用的OPO晶体。如下所述，借助KTP的大温度带宽及适度能量输出和预期的外科手术应用的平均功率要求的偶然组合，已实现了这一点。借助为Type-II相位匹配切割的晶体，根据X-切割材料的已知材料参数，当被1.06微米Nd:YAG激光器泵激时，68～70°的内角将为空载(idler)提供要求的波长。如果需要的话，这些角度可非常接近90°，以提供足够大的受光角，足以适应离散度超过衍射极限许多倍的多模泵激光束。但是要明白为了实现外科用激光仪器的所需操作条件，尤其是当提出和轻便性相一致的紧致、简单设备的标准时，审慎地选择各个组件是必不可少的。根据由，例如角膜刻蚀应用施加的严格参数测定，使用图1中描述的简单光学布置中的可用材料和光学器件的不同OPO部件和参数的特定组合不是事先显而易见的。
于是，在本发明的一个关键方面，必须选择足够长的KTP晶体以便有效地转变1微米辐射。在一个最佳实施例中，根据在X-切割晶体的68～70°Type-II CPM结构中是可实现的离散角，和产生在要求的5～30毫焦范围内的空载(idler)输出能量级所需的OPO增益的估计量的折衷，至少20毫米，不过长达30毫米的晶体长度是合适的。在这种定向下，KTP的受光角为5cm-mrad数量级，该受光角仍然足够大，足以适应本应用优选的多模泵激光束。
还要明白通过相对于主轴系转动晶体，可改变输出光束52的具体波长。在外科手术环境中这一点具有潜在的用处，因为不同类型的组织之间，吸收性能不同，并且即使在相同的组织内，由于随着温度而变化，吸收性能也不同。因此，波长的细微变化可允许与指定过程所要求的最佳吸收匹配，从而扩大了OPO激光源的范围和应用。可这样获得的波长范围的极限由泵激光束和晶体孔径的相对尺寸确定。根据KTP的已知参数和易于获得的晶体尺寸，利用几种可商业获得的掺钕泵激激光器中的任意一种，从2.75～稍大于3微米的波长范围均可被本结构所覆盖。
而本发明的另一方面涉及利用足够短的泵激激光脉冲，以便即使利用不聚焦的泵激光束结构也能达到OPO门限值。通过不需要把光束聚焦在晶体上，因此可利用多模或不稳定的谐振泵激光束空间分布，其优点是显著地放宽对泵激激光器的要求，同时减轻了和OPO模式匹配相关的困难。在最佳实施例中，发现泵激脉冲持续时间(FWHM)在5～12纳秒之间是可接受的，即使对于离散度比衍射极限大8倍以上的多模泵激光束，也能对10％以上的空载波长产生有效的转变。
就本发明的另一特征而论，裸晶面(即非抗反射(AR)涂覆晶面)可用于减轻与当前的涂覆技术的缺陷有关的损坏危险，从而所选的3微米波长附近的残余吸收能够使损坏阈降低到不实际的水平，尤其是当使用短持续时间脉冲时。如果涂层质量高，那么3微米涂层适用于KTP，由于这将降低OPO损耗，并且对于相同的倾斜效率(slopeefficiency)能够进一步降低参数振荡的门限值，使用3微米涂层是有利的。但是应指出对于最佳性能及无损操作，门限值应使得利用不大于3到4倍门限值的输入能量可实现要求的无效能量输出。借助对晶体进行AR涂覆，可降低输出耦合器的反射率，从而对于相同的输出能量，降低了循环2.9微米功率(circulating 2.9μm power)。
在上面例证的例子中，确定对于裸晶体，利用所有标准光学器件，即使对于10Hz光束，输入泵激能量超过250毫焦，仍能避免损坏晶体或光学器件。同样，利用直径为1～5毫米数量级的不聚焦光束的能力也被认为是实现这种性能的一个关键方面。为了进一步降低损坏的可能性，也可采用其它布置，从而不通过相同的0°输入镜耦合泵激光束，该0°输入镜也必须提供3微米下的高反射。当使用最佳的1微米涂层时，以45°反射3微米空载光束可增大损坏阈。
现在参考图2，图中图解说明了一个备选实施例，在该实施例中，通过利用三个镜子16、17和18采用了一个“L”形空腔，以便在泵激光束50的路径和空载空束52之间提供一定的分离。这样，泵通过45°镜子17被耦合，镜子17被涂覆，以便也在空载波长下提供高反射(以45°)。镜子18也被涂覆，以反射空载光束52，不过它并不经受高能泵激光束50。随后空载光束52通过镜子16耦接出去，在空载光束52的波长下，镜子16进行部分反射。同样，如图1中所示，最后把镜子16涂覆成背反射泵激光束50，以降低参数过程的门限值。并且镜子16和18被涂覆成对于信号光束54高度透射。如图1所示，信号光束54透过二色分光镜35。这种“L”形空腔的优点是由于45°入射角的缘故，降低了输入镜上的注量。由于通常镜子17是第一个被损坏的组件，因此注量的降低表现为在给定能量输出级下，OPO的损坏可能性降低。
要注意在图1和图2的实施例中，OPO轴必须稍微偏离泵轴，以防止反馈进入泵激激光器20。作为备选方案，可在泵激激光器和OPO之间使用一个隔离器，不过这将额外增加系统的成本。图3和图4表示了两个备选结构，由于它们依靠单通道泵激，因此不存在泵激反馈。这样，为增大转变并降低门限值，取代进入同一晶体的泵激光束的背反射，一前一后地使用了两个OPO晶体。图3表示了一种布置，其中泵激光束50通过45°镜子11耦合接入OPO空腔，涂覆镜子11，以便在泵激波长下实现高反射，在空载波长下实现高透射。泵激光束通过两个非线性晶体15′和15″，随后通过镜子12射出空腔，涂覆镜子12，以便在泵激波长下实现高透射，在空载波长52的3微米波长范围下实现高反射。空载光束52通过镜子13耦合离开空腔，镜子13被涂覆，以便利用选定用于优化来自空腔的输出的反射率部分反射空载波长。在这种单谐振振荡器(SRO)中，每个镜子11、12和13被涂覆，以透射信号波长54，从而只有空载波长被谐振。一种备选布置将使用DRO，DRO也需要信号波长下的反射涂层，还可能需要附加的分光器和/或其它光学器件。那么门限值可被降低，但是其代价是光学系统的复杂性增大，对准过程更复杂。
图4描绘了所谓的“环”形结构，其中棱镜14提供空腔中的光束的全内反射(TIR)，从而泵激两个OPO晶体，如单通道布置中那样，这两个OPO晶体再次被标记为15和15′。两个45°镜子19和19′被涂覆成在泵激波长和信号波长下提供高透射。镜子19′还被涂覆成反射空载波长，而镜子19部分反射3微米波长，以外耦合(outcouple)空载光束52。如图4所示，现在残余的泵激光束50通过镜子19′离开OPO空腔，这样不会造成反馈问题。另外，由于大多数信号光束54也通过镜子19′和镜子19以及偏光镜36透射出空腔，因此不再需要进一步衰减空载光束52的路径中的信号光束54。虽然在最后这两个方面上具有吸引力，但是图4的结构在光学上更复杂，和图1的简单布置相比，需要额外的部件。
图5描绘了一种新的备选布置，它利用波导装置60使泵激辐射耦合进入OPO。在一个最佳实施例中，波导装置包括中空波导管、光纤或束光纤。用于医疗激光系统的通过空气通道的光纤输送的固定光束输送系统的优点众所周知。这包括易于使光束对准手术点，辐射、输送角和位置的调节更灵活，多模光束均匀(或者空间平滑)，及能够把辐射输送到用其它方法达不到的内部位置。但是，虽然很好地开发了传输1微米辐射的光纤，其损坏阈可经受数百毫焦的短脉冲辐射，但是目前不可获得类似的可传输3微米短脉冲辐射的光纤。于是，如果可通过光纤传输更高功率的1微米泵激光束，使OPO的位置非常接近手术显微镜将是有益的。当泵激光束是通过光纤耦合时，除了接近内部位置之外，光纤输送系统的大多数优点都会实现。特别地，泵激光束的均匀性将使输出的中红外光束的轮廓更平滑，这是角膜烧蚀中一个非常期望的特性。
在图5的实施例中，泵激光束50通过透镜62进入光纤60中，在备选实施例中光纤60可由偏振保持束光纤或中空金属波导管构成。束光纤可适于有效地接收并传输离散的泵激光束50，同时便于通过标准光学装置64在远端收集光线并重新使光线准直。如图中所示的透镜把泵激光线映射入OPO。在一个最佳实施例中，在6毫米直径束光纤的情况下，透视提供1∶1成象，以保持不聚焦泵激光束的特性。其它比例也是可行的，取决于可获得的光泵激光束的特性和光纤的数值孔径。在该最佳实施例中，在需要的情况下，束光纤可由许多偏振保持单模光纤构成，以允许OPO晶体中的相位匹配。本领域的普通技术人员显然知道，使用这种方法，必须谈及每个光纤的损坏极限和离开光纤的光束的离散度。在中空金属波导管的情况下，偏振可被维持，直径约为1毫米的波导管能够很好地输送100毫焦的1微米波长短脉冲光。校正离开波导管60的泵激光的残余消偏振所必需的这种光学装置可作为图5示意图中的光学部件64的一部分包含在其中。为简便起见，图5中只图解说明了图1的简单OPO结构，不过要明白图2到4的任意备选OPO实施例都可用作图5中的OPO部件10。
要注意在3微米或3微米附近，所选KTP晶体中的吸收能够限制扩大上述任意一种结构中的OPO激光源的重复频率。这样，对于被认为是KTP的温度带宽通常较宽所造成的低于0.5瓦的平均功率OPO输出，晶体长度内吸收水平为8～10％是可接受的。但是，要认识到在材料领域的某些进展中，可能要求把OPO的重复频率增大到超过40～50Hz，借此可在不利于吸收OH-离子的形成的改变条件下实现生长。目前可预期这种发展，如果这种发展被实现，将允许把重复频率增大到超过50Hz水平。例如通过交叠由单激光光束泵激的两个OPO的输出还可使重复频率增大到100Hz水平。这些，及利用多种晶体的其它布置均在本发明的范围之内。
在具有类似于KTP的性质的条件下，诸如KTA和RTA之类的其它KTP同晶型体也被看作使用上面指定的任意一种结构的中红外OPO激光器的候选物。这样具体晶体的选择取决于性质，主要是与合适的相位匹配及在本发明的所选波长下的最小吸收相关的性质的组合。
最后，存在多种备选的OPO技术，如果在不远的将来研究出这些技术，则这些技术可用于促进这里公开的外科手术用OPO激光器。这些改进包括使用周期性接入(poled)(PP)KTP，由于高度的非线性，这种KTP可提供很低的门限值。由于孔径较小(＜1毫米)，PP KTP的输出能量目前小于1毫焦，不过通过发展诸如熔融结合之类的技术，较大的PP KTP晶体将变成可能。此外，在1微米下被泵激的呈周期接入形式的LiNbO3也可是用于在有效模拟NCPM的准相位匹配条件下产生需要的2.9～3.0微米波长的候选晶体。孔径同样被限制在1毫米以下，不过未来的发展可能导致在不久的将来较大的PP晶体将成为可能。当然，3微米下LiNbO3中的吸收仍然是一个问题，尤其是对于较高的重复频率，将必须解决这个问题。
我们还提及输出波长在0.85～0.9微米范围内的泵激激光源的利用代表了另一种备选OPO结构。借助这种泵激波长，非临界相位匹配KTP(X-切割)成为可能，对于预期的外科手术应用，这将非常有益。但是，作为小型的，低成本的商用激光器，目前还不可获得提供这种近红外辐射的泵激激光器。候选物包括灯泵激的Ti:蓝宝石和Cr:LiSAF激光器，不易获得具有要求的能量(大于100毫焦)，脉冲持续时间(小于25纳秒)和重复频率(大于10Hz)的上述两种激光器。不过，这些和类似的激光器可能在将来被开发出，这样也包括在本发明的范围内。
这里表示和描述的实施例和变化只是举例说明本发明的原理，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域的技术人员能够实现各种变化和修改。

Claims (45)

1.一种用于对组织进行激光外科手术过程的中红外激光系统，所述系统包括：
产生具有约1.0～1.1微米波长的泵激光束的激光源装置，
用于把泵激光束参数转换为空载光束和信号光束的非线性晶体，所述空载光束具有近似对应于所述组织的吸收峰值的中红外范围内的波长；及
把所述空载光束引到所述组织上，以便主要借助光机械烧蚀除去所述组织部分的装置。
2.按照权利要求1所述的激光系统，其中所述激光源装置是掺钕激光器。
3.按照权利要求1所述的激光系统，其中所述泵激光束具有小于50纳秒的脉冲持续时间，至少10Hz的重复频率及由单模或多模组成的横模结构。
4.按照权利要求1所述的激光系统，其中所述非线性晶体是磷酸氧钛钾晶体。
5.按照权利要求1所述的激光系统，其中所述非线性晶体可绕三个主轴旋转。
6.按照权利要求1所述的激光系统，其中所述非线性晶体由周期性接入的非线性材料，包括磷酸氧钛钾及其同晶型体或LiNbO3构成。
7.按照权利要求1所述的激光系统，其中所述非线性晶体是可调谐的，以便优化所述组织中的吸收。
8.按照权利要求1所述的激光系统，其中所述空载光束具有至少1毫焦的能量输出。
9.按照权利要求1所述的激光系统，其中所述空载光束在角膜组织中的热损伤区小于2微米。
10.按照权利要求1所述的激光系统，其中所述外科手术过程是角膜烧蚀过程。
11.按照权利要求10所述的激光系统，其中所述角膜烧蚀过程是基于光致散裂反应机理的光折射角膜切除术。
12.按照权利要求1所述的激光系统，其中用于引导所述空载光束的装置包括构成“L”形布置的三个镜子。
13.按照权利要求1所述的激光系统，其中非线性晶体以双谐振振荡器为基础。
14.按照权利要求1所述的激光系统，包括由所述激光源装置用交叠光束泵激的一对所述非线性晶体，从而获得至少20Hz的总重复频率。
15.按照权利要求1所述的激光系统，其中眼睛上的能量注量为100mJ/cm2～500mJ/cm2。
16.如权利要求1所述的激光系统，其中所述空载光束具有在约2.85～3.0微米的中红外范围内的波长。
17.如权利要求1所述的激光系统，其中所述的组织是眼组织。
18.如权利要求17所述的激光系统，其中所述的眼组织是角膜组织。
19.按照权利要求18所述的激光系统，其中所述激光源装置是掺钕激光器。
20.按照权利要求18所述的激光系统，其中所述泵激光束具有小于50纳秒的脉冲持续时间，至少10Hz的重复频率及由单模或多模组成的横模结构。
21.按照权利要求18所述的激光系统，其中所述非线性晶体是磷酸氧钛钾晶体。
22.按照权利要求18所述的激光系统，其中所述非线性晶体可绕三个主轴旋转。
23.按照权利要求18所述的激光系统，其中所述非线性晶体由周期性接入的非线性材料，包括磷酸氧钛钾及其同晶型体或LiNbO3构成。
24.按照权利要求18所述的激光系统，其中所述非线性晶体是可调谐的，以便优化所述组织中的吸收。
25.按照权利要求18所述的激光系统，其中所述空载光束具有至少1毫焦的能量输出。
26.按照权利要求18所述的激光系统，其中所述空载光束在角膜组织中的热损伤区小于2微米。
27.按照权利要求18所述的激光系统，其中所述外科手术过程是角膜烧蚀过程。
28.按照权利要求27所述的激光系统，其中所述角膜烧蚀过程是基于光致散裂反应机理的光折射角膜切除术。
29.按照权利要求18所述的激光系统，其中用于引导所述空载光束的引导装置包括构成“L”形布置的三个镜子。
30.按照权利要求18所述的激光系统，其中非线性晶体以双谐振振荡器为基础。
31.按照权利要求18所述的激光系统，包括由所述激光源装置用交叠光束泵激的一对所述非线性晶体，从而获得至少20Hz的总重复频率。
32.按照权利要求18所述的激光系统，其中对眼睛的能量注量为100mJ/cm2～500mJ/cm2。
33.一种用于对组织进行激光外科手术过程的中红外激光系统，所述系统包括：
产生具有约1.0～1.1微米波长的泵激光束的激光源，所述泵激光束具有确定的偏振；
用于把泵激光束参数转换为空载光束和信号光束的非线性晶体，所述空载光束具有在约2.85～3.0微米中红外范围内的波长；
使所述激光源与所述非线性晶体耦接的光纤装置，所述光纤装置维持所述偏振；及
把所述空载光束引到所述组织上，以便主要借助光机械烧蚀除去所述组织部分的装置。
34.按照权利要求33所述的激光系统，其中所述激光源装置是掺钕激光器。
35.按照权利要求33所述的激光系统，其中所述泵激光束具有小于50纳秒的脉冲持续时间，至少10Hz的重复频率及由单模或多模组成的横模结构。
36.按照权利要求33所述的激光系统，其中所述非线性晶体是磷酸氧钛钾晶体。
37.按照权利要求33所述的激光系统，其中所述非线性晶体可绕三个主轴旋转。
38.按照权利要求33所述的激光系统，其中所述非线性晶体由周期性接入的非线性材料，包括磷酸氧钛钾及其同晶型体或LiNbO3构成。
39.按照权利要求33所述的激光系统，还包括调谐所述非线性晶体，以优化所述组织中的吸收的步骤。
40.按照权利要求33所述的激光系统，其中所述空载光束具有至少1毫焦的能量输出。
41.按照权利要求33所述的激光系统，其中所述空载光束在角膜组织中的热损伤区小于2微米。
42.按照权利要求33所述的激光系统，其中所述外科手术过程是角膜烧蚀过程。
43.按照权利要求42所述的激光系统，其中所述角膜烧蚀过程是基于光致散裂反应机理的光折射角膜切除技术。
44.按照权利要求33所述的激光系统，其中所述引导装置包括构成“L”形布置的三个镜子。
45.按照权利要求33所述的激光系统，其中非线性晶体以双谐振振荡器为基础。
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