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Die
Erfindung betrifft ein Lasersystem mit einer Wellenfrontsteuerung.
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Es
ist bekannt, dass beim Betrieb von insbesondere Festkörperlasern
(z. B. Erbium: YAG) aufgrund der Erhitzung des faseraktiven Materials
es zu einer sogenannten thermischen Linse kommen kann, d.h. es bilden
sich im laseraktiven Material Bereiche mit unterschiedlichen Brechungsindizes,
sodass ein Linseneffekt entsteht. Es ist auch bekannt, dass beim Betrieb
von insbesondere Festkörperlasern
es zu einer inhomogenen optischen Verstärkung aufgrund der inhomogenen
Anregung durch die Pumpquelle kommt, zum Beispiel in transversaler
Richtung.
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Beide
Phänomene,
also die inhomogene Verstärkung
und die thermische Linse, können
zur Ausbildung von Wellenfrontfehlern höherer Ordnung führen, zum
Beispiel zu einer sphärischen
Aberration, Koma, und Astigmatismus. In der Regel sind solche Wellenfrontfehler
bei Anwendungen der Laserstrahlung nachteilig und deshalb unerwünscht.
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In
der Ophthalmologie finden Laser unterschiedlicher Art zunehmende
Anwendung, insbesondere für
chirurgische Eingriffe.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Lasersystems
mit einer Wellenfrontsteuerung, um die Wechselwirkung der Laserstrahlung
mit Material oder Gewebe zu optimieren.
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Hierzu
stellt die Erfindung ein Lasersystem bereit mit einer Wellenfrontsteuerung,
die folgendes aufweist:
- – mindestens zwei transmittierende
optische Elemente (32, 34, 36, 38, 40),
- – Einrichtungen,
die auf zumindest eines der optischen Elemente (32, 34, 36 38, 40)
einwirken, und
- – eine
Steuerung (26; 60), welche die genannten Einrichtungen
so steuert, dass die optischen Elemente eine vorgebbare Wellenfront
des Laserstrahles am Wirkungsort der Laserstrahlung erzeugen.
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Unter
dem „Wirkungsort
der Laserstrahlung" ist
derjenige Ort zu verstehen, an dem Laserstrahlung mit Materie oder
Gewebe in Wechselwirkung tritt, um an der Oberfläche von Materie oder in der Materie
bzw. dem Gewebe eine Veränderung
desselben zu erzielen, also zum Beispiel einen Abtrag (Ablation)
von Gewebe.
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Nach
der Erfindung können
also die transmittierenden, d.h. die Strahlung durchlassenden und brechenden
optischen Elemente, mit hierfür
vorgesehenen Einrichtungen so gesteuert werden, dass zum Beispiel
eine Wellenfrontaberration, die z.B. durch eine thermische Linse
bedingt und im obigen Sinne unerwünscht ist, zumindest teilweise
kompensiert wird.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist allerdings
vorgesehen, die optischen Elemente so zu steuern, dass sie gezielt
eine Wellenfrontaberration erzeugen, die für die vorgesehene Anwendung
der Laserstrahlung von Vorteil ist. Das sei beispielhaft für den hier
besonders interessierenden Bereich der ophthalmologischen Eingriffe
am Auge erläutert:
In
der Ophthalmologie wird Laserstrahlung häufig an oder in Geweben mit
gekrümmter
Oberfläche
eingesetzt. Trifft ein Laserstrahl zum Beispiel für die Photoablation
auf eine gekrümmte
Oberfläche,
so kommt es zu Abhängigkeiten
der Wechselwirkung zwischen der Laserstrahlung und dem Gewebe vom
Ort, an dem die Laserstrahlung auf das Gewebe auftrifft oder wo
die Laserstrahlung im Gewebe fokussiert ist. Der Erfindung liegt
die Erkenntnis zugrunde, dass es bei bestimmten, zum Beispiel ophthalmologischen
Anwendungen der Laserstrahlung vorteilhaft ist, gezielt Wellenfrontaberrationen
in der Laserstrahlung zu generieren, um die Wechselwirkung zwischen
der Laserstrahlung und dem Gewebe in gewünschter Weise zu steuern. Zum
Beispiel wird im Stand der Technik (WO 01/85075 A1) der Laserstrahl-Spot
in an sich bekannter Weise zum Ablatieren über die Kornea geführt. Dabei
wird die Krümmung
der Kornea dahingehend berücksichtigt,
dass die Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Gewebe ortsabhängig ist,
da sowohl die Energiedichte (Fluenz) der Strahlung als auch die
Reflexion der Strahlung vom Winkel abhängen, den die Strahlungsrichtung
mit der Gewebeoberfläche
bildet. Dies wird dort mit aufwendigen Rechenprogrammen berücksichtigt.
Die vorliegende Erfindung macht sich demgegenüber die Erkenntnis zunutze,
dass auch mit optischen Mitteln, also mit der oben erläuterten
gezielten Einstellung von Wellenfrontaberrationen solchen, Ortsabhängigkeiten
der Wechselwirkung zwischen der Laserstrahlung und dem Gewebe Rechnung
getragen werden kann.
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Ein
besonders bedeutsamer Anwendungsfall der gezielten Einstellung und
Steuerung einer Wellenfrontaberration ist die bekannte Photodisruption bzw.
die plasmainduzierte Ablation (in der Ophthalmologie), bei der üblicherweise
extrem kurze Laserpulse eingesetzt werden. Im Stand der Technik
wird dabei die Strahlung in der Regel im Gewebe (also unterhalb
der Oberfläche
z.B. der Kornea) fokussiert. Wird die erfindungsgemäße Wellenfrontsteuerung eingesetzt,
so ermöglicht
dies eine besondere Kontrolle des erzeugten Plasmas und/oder eine
Kontrolle des Laserspotdurchmessers im Gewebe.
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Die
vorstehend anhand ophthalmologischer Anwendungen erläuterten
Vorteile und Merkmale der Erfindung lassen sich ohne weiteres auch
auf andere, allgemeinere Anwendungen übertragen, also allgemein auf
die Materialbearbeitung.
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Die
Erfindung stellt Mittel bereit, mit denen für die jeweilige Anwendung des
Laserstrahls die optimale Wellenfrontform mit der Wellenfrontsteuerung einstellbar
ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung hat das Lasersystem Einrichtungen zum
Ermitteln von zumindest einer Eigenschaft der Laserstrahlung und
zum Abgeben von Daten an die Steuerung, um die optischen Elemente
in Abhängigkeit
von der ermittelten Eigenschaft zu steuern.
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Die
Einrichtungen, welche auf zumindest eines der optischen Elemente
einwirken, sind bevorzugt mechanische Stelleinrichtungen, mit denen
zumindest eines oder mehrere der Elemente in Richtung der Laserstrahlung
oder quer dazu verschoben oder auch in Bezug auf die Richtung der
Laserstrahlung gedreht werden können.
Die Steuerung betätigt diese
mechanischen Einrichtungen. Die vorstehend wiedergegebene bevorzugte
Variante der Erfindung sieht vor, dass eine Eigenschaft der Laserstrahlung ermittelt,
z.B. gemessen, wird und dass diese Eigenschaftsdaten in einem Prozessor
verarbeitet werden, der dann Daten an die Steuerung abgibt, damit
diese in der Art eines Regelkreises die optischen Elemente so steuert,
dass die Eigenschaft der Laserstrahlung einen gewünschten
Wert hat.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Variante der Erfindung hat das Lasersystem Einrichtungen zum
Ermitteln von Wirkungen der Laserstrahlung auf zu bearbeitendes
Material oder Gewebe und zum Abgeben von Daten an die Steuerung,
um die optischen Elemente in Abhängigkeit
von der ermittelten Wirkung zu steuern.
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Bei
einer ophthalmologischen Anwendung der Laserstrahlung kann die ermittelte
Wirkung zum Beispiel ein Effekt am oder im Augengewebe sein, wie
zum Beispiel eine Veränderung
der Hornhautoberfläche,
und es erfolgt eine Messung dieses Effektes und eine Verarbeitung
des Messergebnisses in einem Prozessor. Das Verarbeitungsergebnis
wird dann an die Steuerung in der Art einer Rückkopplung gegeben, damit diese
die optischen Elemente in Abhängigkeit
von der ermittelten Wirkung in gewünschter Weise steuert. Diese
Steuerung kann im Rahmen eines Regelkreises erfolgen oder auch gemäß vorgegebenen
Wirkungskriterien im Sinne einer einfachen Steuerung.
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Nachfolgend
wird die Erfindung mit weiteren Einzelheiten anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 schematisch
ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Lasersystems, bei dem die optischen Elemente zur Wellenfrontsteuerung
im Resonator („Intra
Cavity") angeordnet
sind;
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2 ein
weiteres Ausführungsbeispiels
eines Lasersystems, bei dem die optischen Elemente zur Wellenfrontsteuerung
außerhalb
des Resonators angeordnet sind;
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3 Einzelheiten
der transmittierenden optische Elemente für die Wellenfrontsteuerung;
und
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4 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
Einstellung der optischen Elemente für die Wellenfrontsteuerung.
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Gemäß 1 weist
das Lasersystem ein optisch aktives Medium 10 als Verstärker auf,
zum Beispiel Erbium:YAG. Das laseraktive Medium 10 wird durch
eine Pumpquelle 12 in bekannter Weise transversal gepumpt,
zum Beispiel mittels einer Blitzlampe. Das Lasersystem hat in üblicher
Weise einen Auskoppelspiegel 14 und einen hochreflektierenden Rückspiegel 12.
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Der
ausgekoppelte Laserstrahl 18 passiert einen Strahlteiler 16,
sodass ein relativ geringer Teil 20 der Strahlung für eine Auswertung
zur Verfügung steht.
Dieser Teil der Strahlung wird in eine als solches bekannte Einrichtung 22 für die Strahlanalyse gegeben,
um eine Eigenschaft der Laserstrahlung 18 zu messen. In
einem einfachen Fall kann es sich bei der Eigenschaft zum Beispiel
um die Energie der Laserstrahlung handeln. Es kann auch die Wellenfront der
Laserstrahlung gemessen werden. Das Ergebnis der Messung in der
Einrichtung 22 wird in eine Auswerteelektronik 24 gegeben,
die mehr oder weniger auch Softwareelemente enthalten kann. Darin
erfolgt eine rechnerischen Auswertung der ermittelten Strahleigenschaft(en),
um Steuerdaten für
eine Steuerung 26 zu gewinnen, mit der ein optisches System 30 beaufschlagt
wird, welches die optischen Elemente 32, 34, 36, 38 und 40 ansteuert.
Diese optischen Elemente sind mechanisch verschiebbar, was durch die
Pfeile jeweils angedeutet ist. Die mechanischen Antriebe für die Verschiebung
und/oder Verdrehung der optischen Elemente sind als solche herkömmlich und
nicht im Einzelnen dargestellt.
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Die
Steuerung 26 bewegt eine oder mehrere der Linsen 32, 34, 36, 38, 40 wahlweise
entsprechend den Pfeilen, um die Wellenfrontaberration der emittierten
Strahlung 18 wahlweise einzustellen. Dies wird näher weiter
unten anhand der 3 und 4 erläutert.
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Die 2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem die optischen Elemente 32, 34, 36, 38, 40 (vgl.
auch 3 und 4) außerhalb des Resonators (in 2 nicht
gezeigt) des Lasersystems angeordnet sind. Vielmehr zeigt 2 den
vom Laser abgegebenen Laserstrahl 52, der ein optisches
System zur Strahlführung
und Strahlformung passiert hat. Dieser Laserstrahl 52 wird
in die Steuerung 30 zum Einstellen der Wellenfront gerichtet.
Die derart hinsichtlich ihrer Wellenfrontaberration eingestellte Laserstrahlung
wird dann auf das zu bearbeitende Material oder Gewebe 54 gerichtet,
also zum Beispiel bei einer ophthalmologischen Anwendung auf oder
in das Augengewebe.
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Eine
Einrichtung 56 ist vorgesehen zum Ermitteln von Wirkungen
der Laserstrahlung am oder im Augengewebe. Zum Beispiel kann die
Einrichtung 56 ein Topographiemessgerät (als solches bekannt) sein,
um die Oberfläche
der Hornhaut zu vermessen. Die Messdaten werden in einen Prozessor 58 zur Auswertung
eingegeben. Die Ergebnisse der Datenverarbeitung werden dann in
der Art eines Regelkreises in die Steuerung 60 eingegeben,
welche dann entsprechend der Datenverarbeitung die einzelnen Linsen 32, 34, 36, 38 und 40 wie
oben beschrieben beaufschlagt, um die Wellenfrontaberration wahlweise
einzustellen.
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Bei
beiden gezeigten Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 kann
die wahlweise einzustellende Wellenfrontaberration zum Beispiel
eine sphärische
Aberra tion sein, ein Koma oder ein Astigmatismus, je nach der gewünschten
Anwendung der Laserstrahlung. Für
die Wellenfrontsteuerung mittels der Linsen 32, 34, 36, 38, 40 kann
zum Beispiel eine Anordnung gemäß 3 eingesetzt
werden. Der Aufbau ist als solches bekannt aus zum Beispiel Buchroeder
und Hooker, Applied Optics, 14, 2476-2479 (1975). Es handelt sich
bei dem Linsensystem nach 3 um ein
afokales teleskopisches Galilei-System. Nach der Linse 38 ist
der Strahlengang parallel und wird durch die Linse 40 auf
die Bildebene fokussiert. Die erste Linse 32 ist sphärisch stark überkorrigierend.
Die Linse 38 des teleskopischen Systems ist sphärisch korrigiert.
Die Einstellung (Steuerung) der sphärischen Aberration findet in der
Linsengruppe 34, 36 statt. Diese Linsengruppe hat
praktisch keine Brechkraft mehr, dafür eine starke sphärische Unterkorrektur
durch die Linse 34. Durch Verschiebung in der z-Richtung
(also in Richtung des Laserstrahls) kann eine gewollte sphärische Aberration
mit wahlweise (je nach Verschieberichtung) positivem oder negativem
Vorzeichen erzeugt werden. Die Linsengruppe 34/36 kann
auch dazu verwendet werden, ein Koma einzustellen. Hierfür wird sie
in der xy-Ebene (senkrecht zu Papierebene) verschoben. Zwei sich
in der sphärischen
Aberration kompensierende Elemente ergeben bei lateraler Verschiebung ein
Koma (vgl. Lopez, „Generation
of third-order spherical and coma aberrations by use of radially symmetrical
four-order lenses",
JOSA A, 15, 2563-2571 (1998)).
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Ein
Astigmatismus kann mit dem optischen System gemäß 3 zum Beispiel
durch Kippen der Linse 40 generiert werden. Dies ist durch
den gekrümmten
Pfeil in 3 angedeutet.
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4 zeigt
entsprechend eine laterale Verschiebung der Linsen 34/36 zur
Erzeugung von Koma, wobei gleichzeitig die Linse 40 zur
Erzeugung von Astigmatismus in Bezug auf die optische Achse gekippt
ist. Ein solcher Astigmatismus lässt
sich auch durch Verkippen einer plan-parallelen Platte im kovergenten
oder divergenten Strahlengang erzeugen (W.). Smith, Modern Optical
Engineering, 3rd ed. McGraw-Hill, 2000).
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Handelsübliche achromatische
Linsensystem sind für
sphärische
Aberration und Koma korrigiert, sie können jedoch nicht für Astigmatismus
korrigiert werden. Dies kann für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung ausgenutzt werden. Weil die
Bildfeldwölbung
bei einem Achromaten ebenfalls nicht korrigiert ist, wird die Bildebene
geeignet gewölbt ausgewählt, sodass
sie zwischen der tangentialen und sagittalen Bildschale zu liegen
kommt.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
insbesondere die folgenden monochromatischen Wellenfrontaberrationen
zu generieren: sphärische
Aberration, Koma, Defokus und Astigmatismus.
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Es
ist auch möglich,
Farbfehler (Dispersion) zu korrigieren. Bei den Systemen gemäß den 3 und 4 könnte man
erwarten, dass aufgrund der Verwendung von Einzellinsen keine Farbkorrektur gegeben
ist. Dies ist insbesondere bei Lasersysteme mit unterschiedlichen
Wellenlängen
von Interesse (z.B: Erbium:YAG Laser kombiniert mit Zielstrahlsystem).
Insbesondere ist die Berücksichtigung
von möglichen
räumlichen
und zeitlichen Dispersionen (chirp) und der spektralen räumlichen
Verkippung der Laserpulse (pulse-front-tilt) bei der Wechselwirkung zwischen
ultra-kurzen Laserpulsen (z.B. Titan:Spahir Laser) und Materie (z.B.
Hornhautgewebe) von Bedeutung. Anwendung finden solche dispersionskorrigierten
Optiksysteme in der Augenchirurgie mit dem Laser (z.B. LASIK) oder
bei der optischen Diagnostik am Auge (z.B. optical coherence tomography).
Die dispersiven Eigenschaften lassen sich zum Beispiel über so genannte
Kostenbauder Matrizen (Kostenbauder, Ray-pulse Matricres: A Rational
Treatment for Dispersive Optical Systems. IEEE Journal of Quantum
Electronics. Vol. 26 No. 6; 1990. p 1148 – 1157) beschreiben und daraus
lässt sich
eine entsprechende Optimierung für
das gesamte optische System ableiten.
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In
dem hier aufgeführten
Beispiel sind die beiden achromatischen Linsen 38 und 40 für sichtbares
Licht farbkorrigiert. Weil sie aber bei dem Ausführungsbeispiel mit Licht einer
Wellenlänge
von 785 nm eingesetzt werden, sind sie chromatisch unterkorrigiert.
Der (die) chromatische Effekt der Linse 32 auf der einen
Seite, und der Linsen 38 und 40 andererseits,
führen
aber zu einer recht guten chromatischen Korrektur des Gesamtsystems
(Minimierung der chromatischen Fehler).
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Die
Linsen 32, 34, 36 und 38 können auch als
afokaler Vorsatz vor ein vorhandenes optisches System (z.B. afokales
Teleskop) gesetzt werden. Damit kann man dann zum Beispiel eine
sphärische
Aberration und ein Koma erzeugen.
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Die
in den 3 und 4 erläuterten Linsensysteme ermöglichen
u.A. eine statische, d.h. fest vorgegebene Steuerung der Wellenfrontaberration mit
den nicht näher
gezeigten mechanischen Baugruppen für zum Beispiel eine Linearbewegung
zur Erzeugung der sphärischen
Aberration und des Komas, oder auch für eine Rotation zur Erzeugung
des Astigmatismus. Es ist auch möglich,
die gewünschte Wellenfrontaberration
dynamisch zu erzeugen im Wege eines Regelkreises mit Rückkopplung,
wie anhand der 1 und 2 beschrieben
ist.
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Typische
Werte für
die verwendeten Linsen sind: Linse (32): Brennweite f =
-24 mm mit einer stark überkorrigierten
sphärischen
Aberration und negativer Dispersion; Linse (34) Brennweite
f = +40mm mit einer stark unterkorrigierten sphärischen Aberration und positiver
Dispersion; Linse (36) Brennweite f = -40 mm mit negativer
Dispersion.
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Die
sphärische
Aberration ist dadurch gegeben, dass die verwendeten Linsen stark
sphärisch überkorrigiert
oder unterkorrigiert sind. Sphärisch
unterkorrigiert bedeutet, dass Randstrahlen einer sphärischen
Sammellinse sich vor den Zentralstrahlen der Linse mit der optischen
Achse schneiden; die Randstrahlen schneiden sich also näher an der
Linse. Bei Sphärisch überkorrigier
Sammellinsen schneiden sich die Randstrahlen hinter den Zentrahlstrahlen
mit der optischen Achse. Bei Zerstreuungslinsen ist die Bezeichnung
umgekehrt.
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Auch
lassen sich solche sphärischen
Aberrationen durch Phasenplatten erzeugen, welche spezielle für die Erzeugung
von bestimmten optischen Fehlern hergestellt werden.