DE102004034370A1 - Lasersystem mit Wellenfrontsteuerung - Google Patents

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Abstract

Ein Lasersystem mit einer Wellenfrontsteuerung weist Folgendes auf: 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 Einrichtung so steuert, dass die optischen Elemente eine vorgebbare Wellenfront am Wirkungsort der Laserstrahlung erzeugen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Lasersystem mit einer Wellenfrontsteuerung.
  • 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.
  • 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.
  • In der Ophthalmologie finden Laser unterschiedlicher Art zunehmende Anwendung, insbesondere für chirurgische Eingriffe.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Lasersystems mit einer Wellenfrontsteuerung, um die Wechselwirkung der Laserstrahlung mit Material oder Gewebe zu optimieren.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung stellt Mittel bereit, mit denen für die jeweilige Anwendung des Laserstrahls die optimale Wellenfrontform mit der Wellenfrontsteuerung einstellbar ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nachfolgend wird die Erfindung mit weiteren Einzelheiten anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Lasersystems, bei dem die optischen Elemente zur Wellenfrontsteuerung im Resonator („Intra Cavity") angeordnet sind;
  • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiels eines Lasersystems, bei dem die optischen Elemente zur Wellenfrontsteuerung außerhalb des Resonators angeordnet sind;
  • 3 Einzelheiten der transmittierenden optische Elemente für die Wellenfrontsteuerung; und
  • 4 ein Ausführungsbeispiel für eine Einstellung der optischen Elemente für die Wellenfrontsteuerung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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)).
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • Auf diese Weise ist es möglich, insbesondere die folgenden monochromatischen Wellenfrontaberrationen zu generieren: sphärische Aberration, Koma, Defokus und Astigmatismus.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Auch lassen sich solche sphärischen Aberrationen durch Phasenplatten erzeugen, welche spezielle für die Erzeugung von bestimmten optischen Fehlern hergestellt werden.

Claims (11)

  1. Lasersystem 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.
  2. Lasersystem mit einer Wellenfrontsteuerung, folgendes aufweisend: – zumindest ein transmittierendes optisches Element (32) das zur optischen Achse zentriert und sphärisch überkorrigiert oder unterkorrigiert ist, – zumindest ein transmittierendes optisches Element (34/36) das sphärisch überkorrigiert oder unterkorrigiert ist und mit Einrichtungen für eine Positionierung dieses optischen Elementes, – zumindest ein weiteres transmittierendes optisches Element (38) das sphärisch überkorrigiert oder unterkorrigiert ist und mit Einrichtungen für eine Positionierung dieses optischen Elementes, 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.
  3. Lasersystem nach Anspruch 2 mit einem zusätzlichen transmittierenden optischen Element (40) und mit Einrichtungen zum Positionieren des optischen Elementes in Bezug auf die optische Achse des Systems, wobei ein Verkippen des optischen Elementes in Bezug auf die optische Achse einen Astigmatismus erzeugt.
  4. Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Einrichtungen (22, 24) zum Ermitteln von zumindest einer Eigenschaft der Laserstrahlung (18) und zum Abgeben von Daten an die Steuerung (26), um die optischen Elemente in Abhängigkeit von der ermittelten Eigenschaft zu steuern.
  5. Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Einrichtungen (56, 58) zum Ermitteln von Wirkungen der Laserstrahlung (52) auf zu bearbeitendes Material oder Gewebe und zum Abgeben von Daten an die Steuerung (60), um die optischen Elemente in Abhängigkeit von der ermittelten Wirkung zu steuern.
  6. Lasersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (56) zum Ermitteln von Wirkungen der Laserstrahlung ausgelegt sind, um Wirkungen auf Augengewebe, insbesondere die Hornhaut oder die Augenlinse, zu messen.
  7. Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die optischen Elemente einwirkenden Einrichtungen diese verschieben, drehen und/oder verkippen.
  8. Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente ausgelegt sind, einen Farbfehler des optischen Systems zu korrigieren.
  9. Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit optischen Elementen, die am Wirkungsort der Laserstrahlung eine geringe räumliche und zeitliche Dispersion und/oder spektrale räumliche Verkippung des Laserstrahles bewirken.
  10. Lasersystem nach einem der Ansprüche vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente außerhalb des Resonators des Lasers angeordnet sind.
  11. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente im Resonator des Lasers angeordnet sind.
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