CN116000440A - 用于控制聚合物结构的激光诱导的折射率变化的激光装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制用于聚合物结构(14)的激光诱导的折射率变化(LIRIC)的激光装置(10)的方法。借助于控制装置(18)控制所述激光装置(10)，使得其以预设图案以发射序列发射脉冲激光脉冲到所述聚合物结构(14)中，其中所述激光脉冲以用于所述聚合物结构(14)的折射率变化的预设照射参数发射，其中为了调节所述折射率变化的量级，所述聚合物结构中的激光脉冲的空间脉冲距离被适配，并且进一步的照射参数被保持在相应的预设照射参数范围内。

Description

用于控制聚合物结构的激光诱导的折射率变化的激光装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制聚合物结构的激光诱导的折射率变化的激光装置的方法、一种具有控制装置的激光装置(该控制装置被形成为执行该方法)、以及涉及计算机程序和计算机可读介质。
背景技术
已知用于激光诱导的折射率变化(LIRIC)的方法，其中通过激光照射改变人工或生物组织的聚合物结构，使得实现通过光的相位变化，从而可以实现用于矫正视觉障碍的折射率变化。这种治疗也可以被称为非手术治疗，因为聚合物结构的宏观形状，例如角膜或人工晶状体，没有改变。这意味着，不从聚合物结构中切出微透镜以实现折射率变化。这里，通常通过改变激光功率或激光脉冲能量来实现对相应期望折射率变化的量级的调整。因此，重要的是脉冲能量或平均功率精确匹配并且另外足够快以跟随非常快的扫描运动。这通常被证明是非常困难的，特别是如果这里的脉冲能量或平均功率也必须被精确地控制或稳定。
发明概述
本发明的目的是改进激光装置对激光诱导的折射率变化的控制。
本发明的方法、本发明的设备和本发明的计算机程序解决了该目的。从属权利要求、说明书和附图规定了有利的发展。
本发明基于这样一种思想，即在图案(例如具有旋转对称图案的径向图案)内的LIRIC效应的大小或量级的所需变化不是通过迄今为止通常的激光能量或激光功率的适配来实现的，而是通过恒定的激光能量来实现的，其中，所述LIRIC效应的变化通过空间脉冲距离的自适应来实现。
本发明的第一方面涉及用于控制聚合物结构的激光诱导的折射率变化(LIRIC)的激光装置的方法。该方法包括借助于控制装置控制所述激光装置，使得其以预设图案以发射序列发射脉冲激光脉冲到所述聚合物结构中，其中所述激光脉冲以用于所述聚合物结构的折射率变化的预设照射参数发射，其中，为了调节所述折射率变化的量级，所述聚合物结构中的激光脉冲的空间脉冲距离被适配，并且进一步的照射参数被保持在相应的预设照射参数范围内。
通过控制装置，可以理解设备、设备组件或设备组，其被配置和布置用于接收和评估信号以及生成控制信号。例如，控制装置可以被配置为控制设备或控制芯片或计算机程序。例如，控制装置可以包括控制数据，其中提供了借助于激光诱导的折射率变化在聚合物结构中产生的预设图案。通过预设图案，例如可以在聚合物结构中产生透镜，特别是菲涅耳透镜。聚合物结构可以是人工和/或生物聚合物结构，例如人或动物眼睛的角膜。为了获得折射率变化的效果，预先设定照射参数，例如数值孔径、波长、时间脉冲长度、空间脉冲长度、间隔脉冲距离和/或能量，借助于这些参数照射聚合物结构以获得折射率改变。其中，优选选择照射参数，使得避免聚合物结构中的光学突破，即空化气泡的产生。
为了调整折射率变化的量级，激光脉冲的空间脉冲距离被调整为对应于期望的量级。通过折射率变化的量级，相变化的量是指聚合物结构的面积或照射位置在照射后将具有的量。因此，根据照射参数的变化，可以为聚合物结构的相应区域产生更高或更低的相变，从而产生折射率变化。目前，这是基于空间脉冲距离的自适应来实现的，空间脉冲距离可以比激光装置的能量更快地自适应。因此，如果要实现例如更高的折射率变化，则可以减小空间脉冲距离以在聚合物结构的区域中产生它。这意味着，可以通过空间脉冲距离的变化来调整激光脉冲密度。另外的照射参数，特别是激光装置的能量，可以保持在预设的照射参数范围内，并且优选地在空间脉冲距离的适配期间是恒定的。
通过本发明的这一方面，优点在于折射率变化或LIRIC效应的量级可以快速适应，特别是不需要昂贵地控制进一步的照射参数，特别是能量。空间脉冲距离可以以相对简单的方式适应，例如通过脉冲选择器，特别是通过扫描速度和/或重复频率，或者例如通过可变路径距离。此外，激光诱导的折射率变化因此可以更快地进行。
本发明还包括产生附加优点的实施例。
在一个实施例中，提供了对于聚合物结构的相应照射位置预先设定折射率变化的各个量级，其中，根据预设图案中的相应照射位置来提供空间脉冲距离。换言之，可以在预设图案中提供，其中在聚合物结构的照射位置将产生更大或更低的激光脉冲空间脉冲距离。因此，可以在每个照射位置适当地调整折射率变化的量级。此外，透镜因此可以通过图案结合到聚合物结构中，例如，该图案校正视觉障碍。
另一实施例提供了另外的照射参数是数值孔径、时间脉冲长度、能量和波长。因此，除了空间脉冲距离之外，还可以至少设置激光装置的数值孔径、激光装置的能量或功率、激光脉冲的时间脉冲长度和激光脉冲的波长，通过它们可以实现激光诱导的折射率变化，其中上述照射参数优选地保持在预设的照射参数范围内，而空间脉冲距离是变化的。
另一有利实施例提供了空间脉冲距离在取决于要实现的折射率变化的量级的值的预设脉冲距离范围内变化，并且另外的照射参数保持恒定在各自预设的照射参数范围内的相应值。换句话说，空间脉冲距离可以优选地在限定范围内改变，以获得折射率变化的量级。另外的照射参数，例如数值孔径、时间脉冲长度、能量和波长，可以保持恒定，优选地保持在一个值，该值在各自预设的照射参数范围内，其中各个照射参数范围可以被预设用于最佳LIRIC处理。通过优化，意味着可以最大化LIRIC效应，而不会在聚合物结构中产生光学突破。通过该实施例，优点在于，仅改变空间脉冲距离，并且其他照射参数范围保持相同，这导致聚合物结构的照射的简化和加速。
另一实施例提供了空间脉冲距离沿扫描方向在1纳米和10微米之间、特别是10纳米和1微米之间的范围内变化，以调节折射率变化的量级。换句话说，扫描方向上的值的脉冲距离范围可以在1纳米和10微米之间。空间脉冲距离可以优选地通过适当调整重复频率来调整，该重复频率尤其可以在10千赫兹和100兆赫之间变化，优选地在100千赫兹和100MHz之间变化，和/或扫描速度。在这些范围内，优选地可以实现激光诱导的折射率变化，而不会在聚合物结构中产生光学突破。
在另一有利实施例中，提供了在10纳米和50微米之间、特别是50纳米和5微米之间的范围内改变相邻激光脉冲路径之间的空间脉冲距离，以调节折射率变化的量级。在这些范围内，也可以优选地实现激光诱导的折射率变化，而不在聚合物结构中产生光学突破。
另一实施例提供了下列照射参数范围：数值孔径在0.1和0.7之间、特别是在0.15和0.35之间，时间脉冲长度在10飞秒和1皮秒之间、特别是在30飞秒和75飞秒之间，能量在1纳米焦耳和120纳米焦耳之间、特别是在20纳米焦耳到80纳米焦耳，并且预设波长在300纳米和1500纳米之间、特别是在900纳米和1000纳米之间。换言之，其他照射参数可以在指定范围内改变，或者优选地取在指定照射参数范围内的值，该值保持恒定。特别优选地，下列照射参数范围：数值孔径在0.15和0.35之间，时间脉冲长度在30飞秒和75飞秒之间，能量在20纳米焦耳和80纳米焦耳之间，并且波长在900纳米和1100纳米之间，因此在红外波长范围内，因为可以利用这些照射参数范围产生最佳折射率变化而不产生光学穿透。特别地，优选的照射参数范围可以从照射模型中确定，该照射模型描述折射率变化，同时避免光学穿透。
另一实施例提供激光脉冲由激光装置的固态激光器、特别是光纤激光器或晶体激光器发射。在固态激光器中，晶体或玻璃掺杂有离子，其中这些离子提供固态激光器的活性介质。通过这些离子的光激发，然后可以产生激光辐射，例如通过二极管泵浦的固态激光器。晶体激光器的示例是所谓的钇铝石榴石激光器(YAG激光器)，其中这些激光器可能非常昂贵。因此，优选光纤激光器。通过光纤激光器，可以理解设备、设备组或设备部件，其可以包括光纤振荡器和/或光纤放大器。光纤激光器结合了单个激光器类型的许多优点，而没有相应的缺点，因此使用光纤激光器进行激光诱导的折射率变化具有相当大的优点。光纤激光器在照射参数方面提供了所需的灵活性，特别是产生可变重复频率和可变/短脉冲持续时间，其具有照射参数的所需稳定性，特别是能量、脉冲持续时间、重复频率和脉冲形状，并且具有增加的免维护自由度。特别地，利用光纤激光器可以更容易地实现许多照射参数。通过该实施例，优点在于可以更精确地调节激光装置的控制。
另一实施例提供了将激光脉冲发射到生物聚合物中，特别是人或动物眼睛的角膜中。换句话说，聚合物结构是生物聚合物，其中生成具有由空间脉冲距离调整的折射率变化的预设图案。因此，优点在于可以改进人或动物眼睛的治疗。
在另一实施例中，提供了将激光脉冲发射到塑料聚合物中，特别是用于产生人工晶状体。换句话说，聚合物结构是塑料聚合物。通过该实施例，特别地，可以以改进的方式生成人工晶状体。
另一有利实施例提供了通过激光装置的脉冲选择器和/或相邻激光脉冲路径的扫描速度和/或脉冲路径距离来调整空间脉冲距离。脉冲选择器是电控光开关，它可以从脉冲序列中丢弃单个激光脉冲，因此只通过所需数量的脉冲。在此，可以特别使用声光脉冲选择器。可选地或附加地，扫描速度可以在聚合物结构上变化和/或相邻激光脉冲路径的脉冲路径距离可以适当地预设。通过这种形式的配置，可以获得空间脉冲距离的优选调整可能性。
另一有利实施例提供了在聚合物结构中产生菲涅耳透镜作为预设图案。菲涅耳透镜是一种阶梯透镜，包括棱柱部分，特别是构造为平行条或同心圆环。
本发明的第二方面涉及具有至少一个控制装置的激光装置。控制装置可以被配置为执行根据本发明的方法的上述实施例之一。出现上述优点。控制装置例如可以被配置为控制芯片、控制设备或应用程序(“app”)。控制装置可以优选地包括处理器设备和/或数据存储器。通过处理器设备，理解用于电子数据处理的设备或设备组件。处理器设备例如可以包括至少一个微控制器和/或至少一个微处理器。优选地，用于执行根据本发明的方法的程序代码可以存储在可选的数据存储器上。然后，程序代码可以被配置为在处理器设备执行时，使控制设备执行根据本发明的方法的上述实施例之一。此外，激光装置可以包括激光器，其被形成为产生脉冲激光脉冲，特别是用于聚合物结构中的激光诱导的折射率变化。出现上述优点。
在激光装置的有利配置中，提供激光装置包括固态激光器，特别是光纤激光器。通过光纤激光器，可以理解包括光纤振荡器和/或光纤放大器的设备、设备组或设备组件。光纤激光器结合了各个激光器类型的许多优点而没有相应的缺点，因此使用光纤激光器用于聚合物结构的激光诱导的折射率变化具有相当大的优点。光纤激光器相对于参数空间(特别是例如可变重复率和可变/短脉冲持续时间)提供了所需的灵活性，所需的参数稳定性(特别是例如脉冲能量、脉冲持续时间、重复频率和脉冲形状)以及增加的维护自由度(例如空气冷却(“空气冷却的”)和长寿命)。关于参数空间的灵活性在于，利用光纤激光器可以更容易地实现许多参数。其中，光纤振荡器和光纤放大器可以例如由根据本发明的光纤激光器包围，但例如也可以是光纤振荡器和固态放大器。通过使用光纤激光器，其在现有技术中至今仅用于去除微透镜，因此，对于手术和由此侵入的方法，本发明优化了非手术或无切口的方法。
在根据本发明的激光装置的另一有利配置中，激光装置可适于发射下列激光脉冲：波长范围在300nm和1500nm之间、优选在900nm和1100nm之间，相应脉冲持续时间在10fs和1ps之间、优选在30fs和75fs之间，并且重复频率大于10kHz(kHz)、优选在100kHz和100MHz之间。出现了上述优点。
在根据本发明的激光装置的进一步有利配置中，控制装置可以包括至少一个存储装置，用于至少临时存储至少一个控制数据集，其中，一个或多个控制数据集中包括用于定位和/或聚焦和/或用于单个激光脉冲的照射参数调整的控制数据；并且可以包括至少一个用于激光的激光束的束引导、和/或束成形、和/或束偏转、和/或束聚焦的束装置。其中，所述控制数据集优选地基于测量的地形和/或测厚和/或形态生成。
进一步的特征及其优点可以从第一发明方面的描述中获得，其中每个发明方面的有利配置将被视为相应其他发明方面的有益配置。
本发明的第三方面涉及一种包括命令的计算机程序，其使得根据第二发明方面的激光装置执行根据第一发明方面的方法步骤。
本发明的第四方面涉及一种计算机可读介质，根据第三发明方面的计算机程序存储在该计算机可读介质上。进一步的特征及其优点可以从第一至第三发明方面的描述中获得，其中每个发明方面的有利配置将被视为相应其他发明方面的有益配置。
本发明的进一步特征从权利要求、附图和附图描述中显而易见。上述描述中提到的特征和特征组合以及以下在图的描述中提到和/或单独在图中示出的特征和特性组合不仅在各自指定的组合中可用，而且在不脱离本发明范围的情况下在其他组合中也可用。因此，实施方式也被认为是本发明所涵盖和公开的，这些实施方式在图中未明确示出和解释，而是从所解释的实施方式中分离的特征组合中产生并可由其产生。实施方式和特征组合也被认为是公开的，因此不包括最初提出的独立权利要求的所有特征。此外，实施方式和特征组合将被视为公开的，特别是通过上文所述的实施方式，其超出或偏离权利要求关系中所述的特征组合。下面显示：
附图简述
图1是根据示例性实施例的激光装置的示意图。
在附图中，相同或功能相同的元件被提供有相同的附图标记。
发明详述
图1示出了用于聚合物结构14的激光诱导的折射率变化(LIRIC)的具有激光器12、特别是固态激光器的激光装置10的示意图。在该实施例中，聚合物结构14可以是生物聚合物，特别是人或动物眼睛16的角膜14的区域。或者，聚合物结构也可以是塑料聚合物，其中并入人工晶状体。用于角膜14的折射率变化的激光脉冲序列、激光脉冲分布和照射参数可以由控制装置18以控制数据的形式预先设置，使得激光器12利用由控制数据提供的照射参数向由控制数据预先设置的激光脉冲位置发射脉冲激光脉冲，以实现折射率变化。特别地，可以预先设置将在角膜14中生成的图案。或者，控制装置18可以是相对于激光装置10外部的控制装置18。
此外，图1示出了由激光器12产生的激光束20可以借助于光束偏转装置22(即光束偏转装置，例如旋转扫描仪)朝向眼睛16偏转，以根据预设图案在角膜14中产生折射率变化。光束偏转装置22也可以由控制装置18控制。
优选地，所示激光器12可以是光纤激光器，其至少被形成为发射下列激光脉冲：波长范围在800纳米和1500纳米之间、优选在900纳米和1100纳米之间，相应脉冲持续时间在10飞秒和90飞秒之间、优选在30飞秒和75飞秒之间；并且重复频率大于10千赫，优选在100千赫和100兆赫之间。
可选地，控制装置18还包括用于至少临时存储至少一个控制数据集的存储装置(未示出)，其中，一个或多个控制数据集包括用于眼睛16中的单个激光脉冲的照射参数调整、定位和/或聚焦的控制数据。
为了调节角膜14中的折射率变化的量级，可以提供空间脉冲距离根据相应的照射位置而变化，以例如在角膜14中产生菲涅耳透镜。由于要实现大的折射率变化，因此例如可以减小空间脉冲距离，并且由于要实现小的折射率改变，可以增大空间脉冲距离。因此，空间脉冲距离可以在预设的脉冲距离值范围内变化，该值可以沿扫描方向取1纳米和10微米之间的值，并且在相邻激光脉冲路径之间取10纳米和50微米之间的数值。为了调节空间脉冲距离，激光装置10可以可以包括脉冲选择器(未示出)，通过该脉冲选择器可以从激光脉冲串中排除单个激光脉冲，使得产生更大的脉冲距离，特别是在光束偏转装置22的一致扫描速度下。可选地或附加地，光束偏转装置22的扫描速度可适于改变空间脉冲距离，和/或相邻激光脉冲路径的脉冲路径距离可由光束偏转装置调整以控制折射率变化的量级。
为激光诱导的折射率变化预设的其他照射参数，例如数值孔径、时间脉冲长度、能量和波长，可以保持在预设照射参数范围内，优选地保持在预设辐射参数范围内的恒定值。其中，数值孔径的照射参数范围可以在0.1和0.7之间、优选在0.15和0.35之间，时间脉冲长度的照射参数的范围可以在10飞秒和1皮秒之间、优选在30飞秒和75飞秒之间，能量的照射参数范围可以在1纳米焦耳和120纳米焦耳之间、优选在20纳米焦耳和80纳米焦耳之间，并且波长的照射参数范围可以在300纳米和1500纳米之间、优选在900纳米和1100纳米之间。
总的来说，示例显示了如何在不改变激光装置的能量的情况下，通过本发明在预设图案内调整LIRIC效应的幅度的变化。

Claims (18)

1.一种用于控制用于聚合物结构(14)的激光诱导的折射率变化(LIRIC)的激光装置(10)的方法，包括：
借助于控制装置(18)控制所述激光装置(10)，使得其以预设图案以发射序列发射脉冲激光脉冲到所述聚合物结构(14)中，其中所述激光脉冲以用于所述聚合物结构(14)的折射率变化的预设照射参数发射，其中，为了调节所述折射率变化的量级，所述聚合物结构中的激光脉冲的空间脉冲距离被适配，并且进一步的照射参数被保持在相应的预设照射参数范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中对于所述聚合物结构(14)的相应照射位置，所述折射率变化的相应量级是预设的，其中，所述空间脉冲距离取决于所述预设图案中的相应照射位置而提供。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述另外的照射参数是数值孔径、时间脉冲长度、能量和波长。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述空间脉冲距离在取决于要实现的折射率变化的量级的值的预设脉冲距离范围内变化，并且所述另外的照射参数保持恒定在所述相应预设照射参数范围内的相应值。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述空间脉冲距离沿扫描方向在1nm和10μm之间、特别是10nm和1μm的范围内变化，以调节所述折射率变化的量级。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述空间脉冲距离在10nm和50μm之间、特别是50nm和5μm的范围内的相邻激光脉冲路径之间变化，以调节所述折射率变化的量级。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，预设下列照射参数范围：数值孔径在0.1和0.7之间、特别在0.15和0.35之间，时间脉冲长度在10fs和1ps之间、特别在30fs和75fs之间，能量在1nJ和120nJ之间、特别在20nJ和80nJ之间，以及波长在300nm和1500nm之间、特别在900nm和1100nm之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述激光脉冲由所述激光装置的固态激光器、特别是光纤激光器或晶体激光器发射。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述激光脉冲发射到生物聚合物、特别是人或动物眼睛(16)的角膜中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述激光脉冲发射到塑料聚合物中，特别是用于产生人工晶状体。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述空间脉冲距离由所述激光装置的脉冲选择器、和/或相邻激光脉冲路径的扫描速度和/或脉冲路径距离来调节。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述聚合物结构(14)中产生菲涅耳透镜作为所述预设图案。
13.一种具有控制装置(18)的激光装置(10)，被配置为执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法。
14.根据权利要求13所述的激光装置(10)，其中，所述激光器装置(10)包括固态激光器(12)，特别是光纤激光器。
15.根据权利要求13或14中任一项所述的激光装置(10)，其中，所述激光器装置(10)适于发射这样的激光脉冲：波长范围在300nm和1500nm之间、优选在900nm和1100nm之间，相应脉冲持续时间在10fs和1ps之间、优选在30fs和75fs之间，并且重复频率大于10kHz、优选在100kHz和100MHz之间。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的激光装置(10)，其中，所述控制装置(18)：
包括用于至少临时存储至少一个控制数据集的至少一个存储设备，其中所述一个或多个控制数据集包括用于定位、和/或聚焦、和/或用于单个激光脉冲的照射参数调整的控制数据；和
包括至少一个束装置(22)，用于所述激光装置的激光束的束引导、和/或束成形、和/或束偏转、和/或束聚焦。
17.一种包括命令的计算机程序，其使得根据权利要求13至16中任一项所述的激光装置(10)执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法。
18.一种计算机可读介质，其上存储有根据权利要求17所述的计算机程序。
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