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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Bearbeitungsvorrichtung, die ein
Material durch nicht-lineare Absorption von Bearbeitungs-Laserstrahlung
bearbeitet und die aufweist: eine die Laserstrahlung abgebende Laserstrahlquelle
und eine Optik, die die Laserstrahlung zur nicht-linearen Absorption in oder auf das
Material fokussiert. Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren
zur Materialbearbeitung, bei dem Laserstrahlung in oder auf das
Material fokussiert wird, wobei die Parameter der Laserstrahlung und
der Fokussierung so gewählt
werden, daß am Material
eine nicht-lineare Absorption der Laserstrahlung bewirkt wird.
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Laserbasierte
Materialbearbeitung ist heute in vielen Bereichen der industriellen
Fertigung unverzichtbar. Die durch den Lasereinsatz erreichbare
Bearbeitungsqualität
kann mit alternativen Verfahren oft nicht erbracht werden. Hinzu
kommt die Realisierung hoher Prozeßgeschwindigkeiten bei der
automatisierten Fertigung, die eine wirtschaftliche vorteilhafte Anwendung
laserbasierter Verfahren erlaubt. Zur Durchführung gibt es eine Vielzahl
komplexer Geräte und
Anlagen, die als Workstations für
eine Reihe spezifischer Bearbeitungsaufgaben angepaßt sind. Die
industriellen Workstations umfassen beispielsweise Systeme zum Schneiden
von Blechen ebenso wie Geräte
zur Bearbeitung von Strukturen auf einem Mikrochip. Auch für die Durchführung medizinischer Verfahren
gibt es Lasersysteme, etwa zur Korrektur der Sehstärke bei
Myopie oder Hyperopie. Bei diesen Lasersystemen erfolgt die Bearbeitung
menschlichen Gewebes, während
bei industriellen Applikationen meist feste Werkstoffe wie Stahl
oder Keramik bearbeitet werden. Anwendungen an flüssigen Werkstoffen,
etwa das lasergestützte
Polymerisieren beim Rapid Prototyping sind ebenfalls bedeutsam.
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Wird
ein Objekt mit Laserstrahlung bestrahlt, so geschieht dies meist,
um eine Messung auszuführen
oder um eine Bearbeitung des Materials des Objekts zu erzielen.
In jedem Fall erfolgt eine Wechselwirkung der Laserstrahlung mit
dem Material, beispielsweise eine Reflektion, einen Streuprozeß oder eine
Absorption. Wichtige Anwendungen sind in diesem Zusammenhang interferometrische
Meßverfahren,
konventionelle Lasermikroskopie oder die Belichtung von Photolacken
bei der Halbleiterlithographie.
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Es
gibt allerdings auch Anwendungen, bei denen die übliche, d.h. lineare Wechselwirkung,
zwischen Laserstrahlung und Material nicht möglich ist, beispielsweise weil
das Material transparent ist. Für solche
Anwendungsfälle
kann zur Materialbearbeitung eine nicht-lineare Wechselwirkung der
Laserstrahlung mit dem Material ausgenutzt werden, das heißt insbesondere
eine nicht-lineare Absorption der Laserstrahlung durch das Material
des Objekts. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer Absorption
n-ter Ordnung, wenn eine Absorption von n Photonen durch ein Atom
oder Molekül
stattfindet, die zu einer n-fachen elektronischen Anregung führt. Es zeigt
sich dabei, daß die
Wahrscheinlichkeit für
eine solche Absorption n-ter Ordnung von der Strahlungsintensität der Laserstrahlung
abhängt.
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Bei
einem transparenten Material, wie es insbesondere bei laserchirurgischen
ophthalmologischen Verfahren vorliegt, laufen bei nicht-linearer Wechselwirkung
zeitlich hintereinander mehrere Prozesse ab, die durch die Laserstrahlung
initiiert werden. Überschreitet
die Leistungsdichtung der Strahlung einen Schwellwert, kommt es
im transparenten Material zur einem optischen Durchbruch, der im
Material eine Plasmablase erzeugt. Diese Plasmablase wächst nach
Entstehen des optischen Durchbruches durch sich ausdehnende Gase.
Wird der optische Durchbruch nicht aufrechterhalten, beispielsweise weil
gepulste Laserstrahlung verwendet wurde, so wird das in der Plasmablase
erzeugte Gas vom umliegenden Material wieder aufgenommen und die Blase
verschwindet. Wird ein Plasma an einer Materialgrenzfläche erzeugt
(die durchaus auch innerhalb einer Materialstruktur liegen kann),
so erfolgt ein Materialabtrag von der Grenzfläche. Man spricht dann von Photoablation,
wogegen bei einer Plasmablase, die zuvor verbundene Materialschichten
trennt, üblicherweise
von Photodisruption die Rede ist. Der Einfachheit halber werden
all solche Prozesse hier unter dem Begriff „optischer Durchbruch" zusammengefaßt, d.h.
dieser Begriff schließt
hier nicht nur den eigentlichen optischen Durchbruch selbst, sondern auch
die daraus resultierenden Wirkungen im Material ein, die aufgrund
der nicht-linearen Wechselwirkung ausgelöst wurden.
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Für eine hohe
Bearbeitungsgenauigkeit ist eine hohe Lokalisierung der Wirkung
der Laserstrahlung erforderlich. Kollateralschäden in benachbarten Materialbereichen
sollen möglichst
vermieden werden.
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Betrachtet
man die Wahrscheinlichkeit für eine
nicht-lineare Absorption, d.h. für
die Absorption mehrerer Photonen, zeigt sich, daß die Wahrscheinlichkeit einer
solchen Wechselwirkung bei einem Laserfokus, der durch ein beugungsbegrenztes
optisches System erzeugt wurde, proportional zur n-ten Potenz des
Quotienten aus Laserleistung mal Quadrat der numerischen Apertur
und Quadrat der verwendeten Wellenlänge ist. Für eine möglichst schnelle Materialbearbeitung
mittels nicht-linearer Absorption möchte man natürlich die
Wechselwirkungswahrscheinlichkeit optimieren. Eine Vergrößerung dieser Wahrscheinlichkeit
für eine
Mehrphotonenabsorption kann, wie sie sich aus dem geschilderten
Zusammenhang unmittelbar ableitet, durch Vergrößerung der Laserleistung, Vergrößerung der
numerischen Apertur oder Minderung der verwendeten Wellenlänge der
Laserstrahlung erzielt werden. Es ist im Stand der Technik für nicht-linear
wirkende Laser-Materialbearbeitungskonzepte deshalb bislang unumgänglich gewesen,
optische Systeme mit hoher numerischer Apertur bei der Fokussierung
einzusetzen.
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Die
US 5.894.916 sowie
US 6.110.166 beschreiben
Verfahren zur Fehlsichtigkeitskorrektur mittels geeigneter Erzeugung
optischer Durchbrüche in
der menschlichen Hornhaut, so daß im Endeffekt die Brechungseigenschaften
der Hornhaut gezielt beeinflußt
werden. Durch Aneinanderreihen einer Vielzahl optischer Durchbrüche wird
innerhalb der Hornhaut des Auges ein linsenförmiges Teilvolumen isoliert,
das dann mittels eines seitlichen öffnenden Schnittes aus der
Hornhaut entnommen wird. Die Gestalt des Teilvolumens ist so gewählt, daß nach Entnahme
des Teilvolumens die Brechungseigenschaften der Hornhaut so geändert sind,
daß eine
erwünschte
Vielsichtigkeitskorrektur erreicht ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung
mittels Laserstrahlung der eingangs genannten Art bzw. ein entsprechendes
Bearbeitungsverfahren so weiterzubilden, daß das Erzeugen nicht-linearer
Wechselwirkungen verbessert ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer
Bearbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die
einen Polarisationsmodulator aufweist, welcher bewirkt, daß die fokussierte
Laserstrahlung linear-polarisiert ist, mit über den Strahlquerschnitt variierender
Polarisationsrichtung. Analog wird die Aufgabe gelöst mit einem
Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem die Laserstrahlung vor
der Fokussierung linear polarisiert wird, mit über dem Strahlquerschnitt variierender
Polarisationsrichtung.
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Erfindungsgemäß wird also
ein inhomogen polarisiertes Strahlungsfeld verwendet. Die Laserstrahlung
ist zwar in jedem Punkt des Feldes linear polarisiert, kann aber – entgegen
sonst üblichen
Verteilungen – in
jedem Punkt eine andere Polarisationsrichtung haben. Das erfindungsgemäß inhomogen polarisierte
Strahlungsfeld führt überraschenderweise
zu einer Verringerung der Fokusgröße, wodurch die Laserstrahlungsleistungsdichte
im Fokus steigt und damit auch die Wahrscheinlichkeit Mehr-Photonen-Prozesse
auszulösen.
Die Fokusverringerung war bislang lediglich theoretisch vermutet
worden (Quabis et al., Opt. Com., 179, 2000) beziehungsweise für die optische
Datenspeicherung experimentell erörtert worden (Dorn et al.,
J. Mod. Opt. 50, 12, S. 1917 – 1926,
2003). Überraschenderweise
kann das im Stand der Technik durchgängig für die lineare Wechselwirkung
von Dauerstrich-Strahlung (cw-Strahlung)
diskutierte Konzept auch für
nicht-lineare Wechselwirkungen und insbesondere bei der Verwendung
gepulster Laserstrahlung vorteilhaft eingesetzt werden. Beispielsweise
kann bei der geschilderten Materialbearbeitung mittels optischer
Durchbrüche
nun die in das Material übertragene
Energie minimiert werden, wodurch Kollateralschäden gering bleiben. Reiht man
mehrere optische Durchbrüche mit
dem erfindungsgemäßen Konzept
aneinander, um flächenhafte
Materialtrennungen durchzuführen, wird
aufgrund des erfindungsgemäß erhaltenen
verringerten Fokus eine bessere Schnittqualität erreicht.
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Ein
weiterer überraschender
Vorteil stellt sich beim erfindungsgemäßen Vorgehen in Kombination
mit einer mehrdimensionalen Verstellung der Fokuslage ein, da die
erfindungsgemäß erzielte
hervorragende Fokusqualität
im Stand der Technik ansonsten sehr große numerische Aperturen erforderlich machte,
die einem großen
Ablenkbereich für
den Fokus hinderlich waren, nunmehr aber geringer sein können.
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Die
Erfinder erkannten, daß mit
dem erfindungsgemäßen Ansatz
bei derzeit bereits realisierten optischen Systemen zur Materialbearbeitung
im Rahmen der refraktiven Augenchirurgie mittels Femto-Sekundenlaserstrahlung
eine Verkleinerung des Fokusdurchmessers um bis zu 30% erzielt wird.
Dadurch ist die Strahlenbelastung um bis zu 50% bei der Erzeugung
eines einzelnen optischen Durchbruches vermindert, bzw. bei Konstanthaltung
der mit der Bearbeitung verbundenen Strahlenbelastung kann eine
Verdopplung der Repetitionsrate der gepulsten Laserstrahlung und
damit eine Halbierung der Gesamtbearbeitungszeit erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird also
eine Erhöhung der
Energie- bzw. Leistungsdichte im Laserfokus zur Lasermaterialbearbeitung
realisiert, indem
- • eine Laserstrahlquelle,
- • das
als Polarisationsmodulator bezeichnete optisches Modul,
- • vorzugsweise
eine Ablenkeinheit, die durch Beeinflussung der Richtung und/oder
Divergenz des Laserstrahls die räumliche
Lage des Fokus der Laserstrahlung bezüglich des Materials steuert und
- • ein
Objektiv, welches so gestaltet ist, daß es für eine Fokussierung der Laserstrahlung
in das Innere des Materials angepaßt ist, um im Material eine
effiziente nicht-lineare Absorption der Laserstrahlung zu erzielen,
vorgesehen
sind. Die mit dem Material nicht-linear wechselwirkende Laserstrahlung
ist vorzugsweise gepulst und hat eine hohe Spitzenleistung wie dies beispielsweise
bei Femtosekunden-Laserstrahlung der Fall ist. Der Polarisationsmodulator
nutzt in einer Ausführungsform
ein oder mehrere Bauelemente zur Umwandlung homogen linear polarisierter
Laserstrahlung, wie sie von Laserstrahlungsquellen üblicherweise
emittiert wird, in inhomogen linear polarisiertes Laserlicht.
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Zur
Erzeugung einer Schnittfläche
wird zweckmäßigerweise,
wie bereits erwähnt,
eine mehrdimensionale Verstellung des Fokus im oder am Material
vorgenommen. Es ist deshalb eine Weiterbildung bevorzugt, die eine
Ablenkeinheit aufweist, welche durch steuerbare Ablenkung der Laserstrahlung eine
räumliche
Lage des Fokus im oder am Material verändert.
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Wesentlich
für die
erfindungsgemäße Erzielung
der überragenden
Fokusqualität
ist die über
den Strahlquerschnitt variierende Polarisationsrichtung der linear
polarisierten Laserstrahlung. Für
einen besonders einfach zur realisierenden Aufbau wird man den Polarisationsmodulator
deshalb der Laserstrahlquelle nachordnen und ihn im Falle der Weiterbildung mit
Ablenkeinheit zwischen Laserstrahlquelle und Ablenkeinheit anordnen.
Vorteilhafterweise liegt der Polarisationsmodulator in einer beliebigen
Pupillenebene des Strahlengangs zwischen Laserstrahlquelle und zu
bearbeitendem Material.
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Alternativ
zur nachträglichen
Modulation homogen linear polarisierter Laserstrahlung mittels des Polarisationsmodulators
kann der Polarisationsmodulator auch direkt in der Laserstrahlquelle
angeordnet werden, so daß diese
bereits Laserstrahlung mit über
den Strahlquerschnitt variierender Polarisationsrichtung abgibt.
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Es
hat sich herausgestellt, daß je
nach Geometrie des Strahlengangs mit dem die Laserstrahlung in oder
auf das Material fokussiert wird und je nach Material verschiedenartig
in homogen linear polarisierte Laserstrahlung bevorzugt sein kann.
Im Sinne einer universellen Einsetzbarkeit der Bearbeitungsvorrichtung
bzw. Anwendbarkeit des Bearbeitungsverfahrens ist es zweckmäßig, wenn
der Polarisationsmodulator hinsichtlich der Variation der Polarisationsrichtung
einstellbar oder insbesondere steuerbar ist. Die Einstellung der
Variation der Polarisationsrichtungen kann dabei zweckmäßigerweise
während
des Betriebs der Vorrichtung erfolgen, beispielsweise durch Eingriff
einer entsprechenden Steuereinrichtung.
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Mit
einem steuerbaren Polarisationsmodulator kann vorteilhafterweise
eine Qualitätsregelung der
Bearbeitung dahingehend erfolgen, daß ein bei der Materialbearbeitung
ermittelter Meßwert,
beispielsweise ein Güteparameter,
geeignet geregelt wird durch Verwendung der Variation der Polarisationsrichtungen
als Stellgröße.
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Das
erfindungsgemäße Konzept
ist überraschend
vorteilhaft bei der Verwendung gepulster Laserstrahlung, da nun
die Pulslänge
verkürzt
werden kann, wodurch die in das Material eingebrachte Energie effektiver
zur Materialbearbeitung eingesetzt wird. Es ist deshalb bevorzugt,
daß die
Laserstrahlquelle gepulste Laserstrahlung mit einer Pulslänge unter
10.000 fs, insbesondere unter 500 fs abgibt. Ein besonders optimaler
Wert hat sich im Bereich der Augenchirurgie bei etwa 350 fs ergeben.
Bei noch kürzeren
Pulsen vergrößert die
zunehmende spektrale Breite der Pulse den technischen Aufwand.
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Die
erfindungsgemäß verwendete
inhomogen linear polarisierte Laserstrahlung ermöglicht weiter eine schnelle
Bearbeitung, beispielsweise im Falle. von gepulster Laserstrahlung
eine Pulswiederholfrequenz von über
100 kHz, insbesondere von über
450 kHz.
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Für die nicht-lineare
Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Material kann zum einen
eine Fokussierung in das Material hinein, d.h. unter dessen Oberfläche erfolgen.
Es ist aber auch möglich, die
Laserstrahlung in Nähe
der Oberfläche
des zu bearbeitenden Materials zu fokussieren. Eine besonders gute
photoablative Wirkung erreicht man dann dabei, wenn der Abstand
des Laserfokus zur Oberfläche
des zu bearbeitenden Materials etwa im Bereich der Rayleigh-Länge der
Laserstrahlung liegt.
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Besonders
zweckmäßig ist
die erfindungsgemäß zu verwendende
inhomogen linear polarisierte Laserstrahlung, wenn im Material durch
flächenhaftes
Aneinanderreihen von insbesondere optischen Durchbrüchen Schnittflächen ausgebildet
werden, die im Material liegen und eine zur Oberfläche des Materials
laufende Schnittlinie haben können.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beispielhalber noch näher
erläutert.
In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Patienten während einer laserchirurgischen
Behandlung mit einem laserchirurgischen Instrument,
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2 eine
Schemadarstellung der Fokussierung eines Strahlenbündels auf
das Auge des Patienten beim Instrument der 1,
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3 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
einer während
der laserchirurgischen Behandlung ausgeübten Schnittführung,
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4 eine
Schemadarstellung einer Laserbearbeitungsvorrichtung zur Erzeugung
von Wellenleiterstrukturen,
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5 ein
Beispiel für
eine inhomogene lineare Polarisierung eines Laserstrahls mit sektoraler Polarisationsvariation,
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6 ein
weiteres Beispiel für
eine inhomogene lineare Polarisation eines Laserstrahls mit radialer
Polarisationsvariation,
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7 ein
weiteres Beispiels für
eine inhomogene lineare Polarisation eines Laserstrahls mit unstetiger
radialer Polarisationsvariation,
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8 eine
Draufsicht auf einen Polarisationsmodulator zur Erzeugung von Bearbeitungs-Laserstrahlung mit
inhomogen linearer Polarisierung und
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9 die
Polarisationsrichtungen in der Laserstrahlung bei Anwendung des
Polarisationsmodulators der 8.
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In
1 ist
ein laserchirurgisches Instrument
1 dargestellt, das einen
Behandlungsstrahl
2 abgibt, welcher auf das Auge
6 eines
Patienten gerichtet ist. Das laserchirurgische Instrument
1 erzeugt
dabei einen gepulsten Behandlungsstrahl
2, so daß das in
US 6.110.166 beschriebene
Verfahren ausgeführt werden
kann. Die Pulsdauer liegt dabei im Nano- oder Femtosekundenbereich.
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Mittels
des laserchirurgischen Instrumentes 1 wird eine Fehlsichtigkeit
des Auges 6 des Patienten behoben, indem aus der Hornhaut
Material derart entfernt wird, daß sich die Brechungseigenschaft
der Hornhaut um ein gewünschtes
Maß ändert. Das
Material wird dabei dem Stroma der Hornhaut entnommen, das unterhalb
von Epithel und Bowmanscher Membran und oberhalb der Decemetschen
Membran und des Endothels liegt.
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Das
laserchirurgische Element 1b arbeitet ein für Laserstrahlung
an und für
sich transparentes Material. Die gepulste Laserstrahlung des Behandlungsstrahls 2 wird
deshalb so eingestrahlt, daß eine nicht-lineare
Absorption zur Erzeugung des optischen Durchbruchs stattfindet.
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Die
Materialentfernung wird durch Fokussierung des hochenergetischen
gepulsten Behandlungsstrahls 2 des laserchirurgischen Instrumentes 1 in
das Stroma erreicht, wodurch optische Durchbrüche erzeugt werden. Jeder einzelne
optische Durchbruch initiiert dabei eine Plasmablase, so daß Gewebe
getrennt wird. Durch geeignete Ablenkung des Behandlungsstrahls 2 werden
während
der Behandlung Plasmablasen aneinandergereiht, die dann ein Teilvolumen
des Stromas, nämlich
das zu entfernende Material, umschreiben. Das laserchirurgische
Instrument 1 wirkt durch den Behandlungsstrahl 2 wie ein
chirurgisches Messer, das, ohne die Oberfläche der Hornhaut zu verletzen,
direkt Material im Inneren der transparenten Augenhornhaut schneidet.
Führt man
den Schnitt durch weitere Erzeugung von optischen Durchbrüchen bis
an die Oberfläche
der Hornhaut, kann das durch die Schnittführung isolierte Material des
Stromas seitlich aus der Hornhaut herausgezogen und entfernt werden.
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Das
laserchirurgische Instrument 2 weist, wie in 2 dargestellt
ist, eine Laserquelle 9 auf, deren Behandlungsstrahl 2 mittels
eines (verstellbaren) Objektives 3 als fokussierte Laserstrahlung 8 in die
Hornhaut 4 des Auges 6 fokussiert wird. Im Fokus entsteht
dann die bereits erwähnte
Plasmablase 11.
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3 zeigt
schematisch die Erzeugung einer Schnittfläche in der Hornhaut 4 zur
Isolierung eines Teilvolumens 5. Durch geeignete dreidimensionale
Verstellung des fokussierten Laserstrahls 8 werden viele
Plasmablasen 11 aneinandergereiht, um eine Schnittfläche (in 3 gestrichelt
gezeichnet) auszubilden. Ist das Teilvolumen 5 innerhalb
der Hornhaut 8 isoliert, wird der Schnitt bis an den Rand geführt, so
daß das
Material des Teilvolumens 5 in Richtung des Pfeils 7 herausgezogen
werden kann.
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In 4 ist
vereinfacht der Aufbau eines Laserbearbeitungsinstrumentes dargestellt,
das im wesentlichen dem laserchirurgischen Instrument 1 gleicht,
jedoch hier zur Ausbildung einer Wellenleiterstruktur 14 in
einem transparenten Material 13 dient. Der Laserquelle 9 ist
ein Polarisationsmodulator 10 nachgeordnet (der, wenn auch
nicht erwähnt,
im Strahlengang des laserchirurgischen Instrumentes 1 ebenfalls
vorgesehen ist), welcher die von der Laserquelle 9 abgegebene
linear polarisierte Strahlung 2 so verändert, daß sie inhomogene lineare Polarisationszustände aufweist.
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Die
inhomogenen linearen Polarisationszustände sind dadurch gekennzeichnet,
daß der
Polarisationsvektor P → des Feldes über
den Querschnitt des kollimierten Laserstrahls keine einheitliche
Richtung hat.
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Zur
physikalischen Charakterisierung solcher Polarisationszustände sei
zunächst
darauf verwiesen, daß für einen
kollimierten Laserstrahl die Feldstärke in üblicher Form als ebene Welle
angenähert
werden kann. Die Lage des Feldstärkevektors
ist für
linear polarisiertes Licht dann in einem beliebigen x,y-Koordinatensystem,
in dem sich die Welle in z-Richtung ausbreitet, in folgender Form
darstellbar: E → = {E0 x, E0 y}expi(ϖt – kz)
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Zur
Vereinfachung kann man nun den normierten Polarisationsvektor P → des
Feldes einführen, wobei
die Amplitude der Feldstärke
vollständig
durch die Amplitudenfunktion
bestimmt wird. Diese fällt für einen
Gauß-Strahl
zwar sehr schnell ab, doch gilt die folgende Gleichung für den Polarisationsvektor
unabhängig
von der speziellen Amplitudenverteilung:
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Damit
ergibt sich für
die Feldstärke:
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Der
Polarisationsvektor ist eine Funktion von x und y. Gilt P → = P →(x,y) = const.so ist dies ein homogen
linear polarisiertes Feld, wie es von den meisten Lasern, beispielsweise
einem Helium-Neon-Laser emittiert wird. Für den Fall PP → = P →(x,y) ≠ const.ist
das betreffende Strahlungsfeld inhomogen linear polarisiert.
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Nachdem
der Laserstrahlung 2 somit eine inhomogen lineare Polarisation
aufgeprägt
wurde, passiert sie eine Ablenkeinheit 12, die hier symbolisch
in Form von zwei eigenständig
um orthogonale Achsen verkippbare Umlenkspiegel dargestellt ist.
Zusammen mit dem verstellbaren Objektiv 3 kann damit der fokussierte
Laserstrahl 8 dreidimensional im Volumen des transparenten
Materials 13 verstellt werden, wodurch dreidimensionale
Strukturen im Material ausgebildet werden können, beispielsweise die dargestellte
Wellenleiterstruktur 14. Die von der Strahlquelle 9 abgegebene
gepulste Laserstrahlung 2 wird dabei nicht-linear im Material 13 absorbiert,
was eine dauerhafte Veränderung
der Materialeigenschaften im bearbeiteten Raumgebiet bewirkt. Alternativ
oder zusätzlich
zur Wirkung der Ablenkeinheit 12 und des verstellbaren
Objektivs 3 kann natürlich
auch das Objekt mit dem transparenten Material 13 selbst
gegenüber
dem Objektiv 3 bewegt werden. Dies mag insbesondere dann
von Interesse sein, wenn Strukturen erzeugt werden sollen, deren
Ausdehnung die durch die Ablenkeinheit 12 bzw. den Verstellweg
des Objektivs 3 erreichbaren Positionen zumindest teilweise überschreitet.
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Durch
die inhomogen lineare Polarisierung des fokussierten Laserstrahls 8 erhält man im
transparenten Material 13 einen Fokus, der kleinere Abmessungen
hat, als er aufgrund des Strahlengangs und insbesondere des Objektivs 3 eigentlich
zu erwarten wäre.
Die Genauigkeit der Materialbearbeitung ist somit gesteigert. Gleiches
gilt für
das Instrument 1 der 1.
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Die
durch den Polarisationsmodulator 10 erreichte Fokusreduzierung
kann je nach Strahlengang und insbesondere je nach Art des transparenten
Materials 13 unterschiedlich stark ausfallen. Zur Optimierung
ist deshalb zweckmäßigerweise
vorgesehen, daß die
Qualität
der Materialbearbeitung, beispielsweise die Größe des Raumgebietes, in dem eine
nicht-lineare Wechselwirkung festgestellt wird, gemessen wird und
durch Variation der Einstellung des Polarisationsmodulators 10 eine
Optimierung vorgenommen wird. Beispielsweise kann die Größe einer
im Material 13 oder in der Hornhaut 4 erzeugten Plasmablase
gemessen werden und durch Verstellung des von einem (nicht dargestellten)
Steuergerät angesteuerten
Polarisationsmodulator 10 eine Minimierung durchgeführt werden.
Alternativ kann auch mit Hilfe einer geeigneten Ansteuerung des
Polarisationsmodulators 10 die von der Laserquelle 9 abgegebene
Strahlung schrittweise reduziert werden, bis eine minimale, zur
gewünschten
nicht-linearen Wechselwirkung
noch ausreichende Strahlungsleistung oder Pulsdauer vorliegt.
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Die
Wirkung des Polarisationsmodulators 10 ist beispielhalber
in 5 gezeigt, die einen x-y-Schnitt 15 durch den in z-Richtung
(senkrecht zur Zeichenebene) des propagierenden Laserstrahl 2. Wie
zu sehen ist, verleiht der Polarisationsmodulator 10 dem
Laserstrahl 2 eine inhomogene Polarisationsverteilung in
der Form, daß zwei
Teilgebiete 16 und 17 vorliegen, in denen die
Polarisationsrichtung zwar jeweils identisch aber gegenüber dem
anderen Teilgebiet um 180° phasenverschoben
ist. Dies ist in 5 durch die parallelen aber
in entgegengesetzter Richtung ausgerichteten Pfeile symbolisiert.
Anstelle einer zwei Teilgebiete 16 und 17 aufweisenden
Inhomogenität
kann natürlich
auch jede beliebig andere sektorale Polarisationsverteilung verwendet
werden.
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6 zeigt
eine radiale Polarisationsverteilung im x-y-Schnitt 15.
Die Polarisationsrichtungen weisen radial von der optischen Achse
A nach außen.
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7 zeigt
eine inhomogene Polarisation mit Phasensprüngen innerhalb ringförmiger Bereiche im
x-y-Schnitt 15. Die Phasensprünge treten an um die optische
Achse A konzentrisch angeordneten Sprungstellen 18 auf.
Der Laserstrahl 2 ist damit im x-y-Schnitt 15 in
vier Ringe 19 mit unterschiedlicher Polarisation geteilt.
Zwischen benachbarten Ringen liegt ein Phasensprung der Polarisationsrichtung
vor, der aus Anschaulichkeitsgründen
als 180°-Phasensprung dargestellt
ist. Natürlich
ist jeder andere Phasensprung ebenfalls möglich.
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Um
einen der inhomogen linearen Polarisationszustände der 5 bis 7 auszubilden,
weist der Polarisationsmodulator 10 in einer bevorzugten Ausführungsvariante
eine segmentierte Wellenplatte auf, die allein oder in Kombination
mit anderen optischen Bauelementen die gewünschte Polarisationsmodulation
bewirkt. In einer anderen Ausführungsvariante
sind dichroitische Glaspolarisationen vorgesehen, die entsprechend
der für
die jeweilige Anwendung gewünschten
Polarisationsverteilung gestaltet sind. Auch können Flüssigkristall-Bauelemente verwendet
werden, die üblicherweise
als räumlicher Lichtmodulator
(SLM) bezeichnet werden und eine flexible Anpassung der Polarisationsverteilung
an eine jeweilige Bearbeitungsaufgabe durch Ansteuerung mit einem
entsprechenden Stellsignal ermöglichen.
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8 zeigt
eine weitere Baumöglichkeit
für einen
Polarisationsmodulator
10, wie sie für eine gänzlich andere Anwendung aus
der
EP 0 764 858 A2 ,
deren Offenbarungsgehalt diesbezüglich
vollständig
hier eingebunden werden soll, bekannt ist. Es handelt sich dabei
um einen Wabenkondensor
20, der eine Vielzahl von wabenförmigen Zellen
21 aufweist.
Der Querschnitt des Laserstrahls
2 wird somit in eine Vielzahl
von Facetten
21 geteilt. Jede Facette
21 besteht
aus einer Halbwellenplatte aus doppelbrechendem Material und ist
beispielsweise auf einen geeigneten Wabenträger aufgekittet. Die Hauptachsen
22 der
Facetten
21 sind gemäß dem in
8 gezeigten
Muster orientiert. Sie sind jeweils in Richtung der Winkelhalbierenden
zwischen der in
8 ebenfalls angezeigten Polarisationsrichtung
P der einfallenden linear polarisierten Laserstrahlung
2 und
dem jeweiligen zur optischen Achse A gerichteten Radius durch die
Mitte jeder Facette
21 ausgerichtet. Damit bewirkt jede
Halbwellenplatten-Facette
2 die Drehung der Polarisationsrichtung
in Richtung des genannten Radius.
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9 zeigt
die Wirkung dieser Anordnung der Hauptachsen 22 der Facetten 21 des
Wabenkondensors 20, indem nun die Polarisationsrichtungen 23 nach
Durchlaufen radial auf die optische Achse A ausgerichtet sind.
