DE69232640T2

DE69232640T2 - Vorrichtung für hornhautchirurgie

Info

Publication number: DE69232640T2
Application number: DE69232640T
Authority: DE
Inventors: Shui T Lai
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-11-06
Filing date: 1992-11-05
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2012-11-06
Also published as: WO1993008877A1; DE69232640D1; RU94030810A; JPH07503382A; ATE218904T1; AU3069792A; US20060217688A1; EP0614388A1; US6210401B1; CA2123008A1; US20040199150A1; EP1159986A3; US6706036B2; US20010010003A1; EP0614388B1; AU671607B2; CA2123008C; EP0614388A4; US7220255B2; EP1159986A2

Description

Diese Erfindung betrifft eine Pulslaservorrichtung und insbesondere eine Laser-gestützte Vorrichtung für die Hornhautchirurgie.
Das Konzept zum Korrigieren von Brechungsfehlern durch Ändern der Krümmung des Auges ist bereits früh hervorgebracht worden, wie in den bemerkenswerten mechanischen Verfahren illustriert, die in Pionierarbeiten von J. Barraquer durchgeführt wurden. Diese mechanischen Prozeduren beinhalten die Entfernung einer dünnen Gewebeschicht von der Hornhaut durch ein Mikrokeratom, das Einfrieren des Gewebes bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff und das neu Ausformen des Gewebes in einer speziell konstruierten Drehbank. Die dünne Gewebeschicht wird dann an dem Auge durch eine Naht erneut angebracht. Der Nachteil von diesem Verfahrens ist der Mangel einer Reproduzierbarkeit und somit einer schlechten Vorhersagbarkeit von chirurgischen Ergebnissen.
Mit dem Aufkommen von Lasern sind verschiedene Verfahren für die Korrektur von Brechungsfehlern versucht worden, die die kohärenten Abstrahleigenschaften von Lasern und die Genauigkeit der Laser-Gewebe-Wechselwirkung verwenden. Ein CO&sub2;-Laser war einer der ersten, die in diesem Gebiet angewendet wurden. Peyman et al. berichteten in Ophthalmic Surgery, Vol. 11, S. 325-9, 1980, dass Laserbrennvorgänge mit unterschiedlicher Intensität, unterschiedlichem Ort und unterschiedlichem Muster an Kaninchenhornhäuten erzeugt wurden. Vor kurzem berichteten Horn et al. im Journal of Cataract Refractive Surgery, Vol. 16, S. 611-6, 1990, dass eine Krümmungsänderung in Kaninchenhornhäuten mit einem CO:MgF&sub2;-Laser durch Anwenden von spezifischen Behandlungsmustern und Laserparametern erreicht wurde. Die Fähigkeit, Brennvorgänge auf der Hornhaut durch entweder einen CO&sub2;-Laser oder einen Co:MgF&sub2;-Laser zu erzeugen, vertraut auf die Absorption der thermischen Energie, die von dem Laser emittiert wird, in dem Gewebe. Histologische Studien des Gewebes angrenzend zu den Brennstellen, die von einem CO&sub2;-Laser verursacht werden, offenbaren eine extensive Beschädigung, gekennzeichnet durch eine denaturalisierte Zone von 5-10 Mikron Tiefe und einen deorganisierten Gewebebereich, der sich über 50 Mikron Tiefe erstreckt. Derartige Laser sind für die Hornhaut- Laserchirurgie somit schlecht geeignet.
In dem U.S.-Patent Nr. 4784135 offenbaren Blum et al. die Verwendung einer Strahlung im fernen Ultraviolettbereich mit Wellenlängen von kleiner als 200 nm, um biologische Materialien zu entfernen. Es wird beansprucht, dass der Entfernungsprozess durch eine Photoätzung durchgeführt wird, ohne Wärme als den Ätzmechanismus zu benötigen. Medizinische und zahntechnische Anwendungen für die Entfernung von beschädigtem oder nicht gesundem Gewebe von dem Knochen, die Entfernung von Hautverletzungen und die Behandlung von verschlechterten Zähnen werden erwähnt. Keine spezifische Verwendung für eine Hornhautchirurgie wird vorgeschlagen und die angezeigte Ätztiefe von 150 Mikron ist zu groß für die meisten Hornhautchirurgiezwecke. Obwohl in dieser Bezugsquelle vorgeschlagen wird, dass die minimale Energieschwelle für eine Abtragung von Gewebe 10 mJ/cm² ist, haben klinische Studien gezeigt, dass die minimale Abtragungsschwelle für Excimer-Laser bei 193 nm für ein Hornhautgewebe ungefähr 50 mJ/cm² ist.
In dem U.S.-Patent Nr. 4718418 offenbart L'Esperance, Jr. die Verwendung eines Scanlasers, gekennzeichnet durch eine ultraviolette Abstrahlung, um eine gesteuerte abtragende Photozerlegung von ein oder mehreren gewählten Bereichen einer Hornhaut zu erreichen. Gemäß der Offenbarung wird der Laserstrahl von einem Excimer-Laser in dessen Querschnittsfläche durch eine Kombination von optischen Elementen auf einen 0,5 mm bis 0,5 mm abgerundeten quadratischen Strahlfleck verringert, der über ein Target (Ziel) durch ablenkbare Spiegel gescannt wird (L'Esperance hat in der europäischen Patentanmeldung Nr. 151869 ferner offenbart, dass die Einrichtung zum Steuern des Strahlorts durch eine Einrichtung mit einem Magnetfeld, um den Lichtstrahl zu beugen bzw. abzulenken, durchgeführt wird. Es ist jedoch nicht klar, wie die Wellenfront des chirurgischen Strahls durch ein angelegtes Magnetfeld auf irgendeinen praktischen Grad, um so ein Strahlscannen zu erreichen, beeinflusst werden kann). Um eine Hornhautgewebeoberfläche mit einer derartigen Anordnung abzutragen, würde jeder Laserpuls einen quadratischen Gewebeflecken heraus ätzen. Jeder derartige Gewebeflecken muss genau neben dem nächsten Flecken platziert werden; ansonsten würde irgendeine geringfügige Versetzung von irgendwelchen geätzten Quadraten zu Ausnehmungen oder Löchern in dem Gewebe an den Stellen führen, wo die Quadrate sich überlappen und eine übermäßige Erosion verursachen und zu Furchen oder Höckern mit einem nicht geätzten Gewebe an den Stellen in dem Gewebe, an denen die Quadrate nicht angrenzend waren, führen. Die sich ergebende minimale Oberflächenrauigkeit wird deshalb ungefähr 2 mal die Ätztiefe pro Puls sein. Eine größere Ätztiefe von 14 Mikron pro Puls wird für die dargestellte Ausführungsform gelehrt. Es wird angenommen, dass diese größere Ätztiefe zu einer Erhöhung der Oberflächenrauigkeit führt.
Auf Grundlage dieser Beschränkungen von Laserhornhautchirurgiesystemen ist es nicht überraschend, dass gegenwärtige kommerzielle Hersteller von Excimer-Laser-Chirurgiesystemen einen anderen Ansatz für die Hornhautchirurgie gewählt haben. In dem U.S.-Patent Nr. 4732148 offenbart L'Esperance Jr. ein Verfahren zum Abtragen des Hornhautgewebes mit einem Excimer-Laserstrahl durch Ändern der Größe der Fläche auf der Hornhaut, die dem Strahl ausgesetzt wird, unter Verwendung einer Reihe von Masken, die in den Strahlpfad eingefügt werden. Die Querschnittsfläche des emittierten Laserstrahls bleibt unverändert und der Strahl ist stationär. Der aufgestrahlte Fluss und die Belichtungszeit bestimmen die Menge des Gewebes, die entfernt wird.
Ein Problem mit diesem Ansatz ist, dass sich eine Oberflächenrauigkeit aus irgendeiner lokalen fehlenden Perfektion in der Intensitätsverteilung über dem gesamten Laserstrahl-Querschnitt ergeben wird. Ferner wird die beabsichtigte Krümmungskorrektur der Hornhaut mit der Schwankung der Laserstrahlenergie von Puls zu Puls durch die gesamte chirurgische Prozedur abweichen. Dieser Ansatz ist auch beschränkt auf die Verursachung von symmetrischen Änderungen in der Krümmung der Hornhaut, als Folge der radial symmetrischen Art der Masken. Für asymmetrische Brechungsfehler, wie beispielsweise diejenigen, die sich gewöhnlicherweise von Hornhauttransplantaten ergeben, würde ein Satz von speziell konstruierten Masken für jeden Fall hergestellt werden müssen.
Variationen der obigen Technik einer Hornhautabtragung sind für Excimer-Laser entwickelt worden. In dem U.S.-Patent Nr. 4941093 offenbaren Marshall et al. die Verwendung einer motorisierten Iris in einem Laserstrahlpfad, um die Fläche auf der Hornhaut, die dem Strahl ausgesetzt ist, zu steuern. In dem U.S.-Patent Nr. 4856513 offenbart Muller, dass eine Hornhautoberfläche mit einem neuen Profil durch eine erodierbare Maske erreicht werden kann, die ein vordefiniertes Widerstandsprofil gegenüber einer Erosion durch eine Laserstrahlung bereitstellt. Dieses Verfahren nimmt eine feste Ätzrate für das abzutragende Gewebe und für das Material der erodierbaren Maske an. Jedoch verändern sich Ätzcharakteristiken signifikant in Abhängigkeit von dem Typ der Materialien und der lokalen Laserenergiedichte. Die Anforderungen einer Gleichförmigkeit der Laserintensität über dem Strahlprofil und einer Intensitätsstabilität von Puls zu Puls, sowie die Beschränkung der Technik für die Korrektur von symmetrischen Fehlern treffen auch für das Verfahren mit der erodierbaren Maske zu.
Eine andere Technik für eine Gewebeabtragung der Hornhaut ist in dem U.S.-Patent Nr. 4907586 von Bille et al. offenbart. Durch Fokussieren eines Laserstrahls in ein kleines Volumen von ungefähr 25 - 30 Mikron im Durchmesser konnte die Spitzenstrahlintensität an dem Laserfokuspunkt ungefähr 1012 Watt pro cm² erreichen. Bei einem derartigen Spitzenleistungspegel werden Gewebemoleküle unter dem starken elektrischen Feld des Laserlichts auseinander "gezogen", was einen dielektrischen Durchbruch des Materials verursacht. Die Bedingungen eines dielektrischen Durchbruchs und deren Anwendungen in der ophthalmologischen Chirurgie ist in dem Buch "YAG Laser Opththalinic Microsurgery" von Trokel beschrieben worden. Transmissionswellenlängen in der Nähe von 1,06 Mikron und der frequenzverdoppelten Laserwellenlänge in der Nähe von 530 nm werden typischerweise für das beschriebene Verfahren verwendet. Das typische Lasermedium für ein derartiges System kann entweder YAG (Yttrium-Aluminium-Granat) oder YLF (Yttrium-Lithium-Fluorid) sein. Bille et al. offenbaren ferner, dass das bevorzugte Verfahren zum Entfernen von Gewebe darin besteht, den fokussierten Punkt des chirurgischen Strahls über das Gewebe zu bewegen. Während dieser Ansatz zum Herstellen von Spuren eines verdampften Gewebes nützlich sein könnte, ist das Verfahren für eine Hornhautoberflächenabtragung nicht optimal. In der Nähe des Schwellwerts des dielektrischen Durchbruchs ändert sich die Laserstrahl- Energieabsorptionscharakteristik des Gewebes von höchst transparent auf stark absorbierend. Die Reaktion ist sehr vehement und die Effekte sind weitläufig variabel. Die Gewebemenge, die entfernt wird, ist eine höchst nicht-lineare Funktion der Leistung des einfallenden Strahls. Somit ist die Gewebeentfernungsrate schwierig zu steuern. Zusätzlich ist die Tatsache, dass das Endothelium dem Laserstrahl zufällig ausgesetzt wird, konstant bedenklich. Noch wichtiger wird ein Verschwenken des Laserstrahls über der Hornhautoberfläche, mit der Variation in der abgetragenen Querschnittsfläche und der Ätztiefe, sehr wahrscheinlich zu einer Ausnehmungs- und Stegbildung anstelle zu einer optisch glatten abgetragenen Fläche führen.
Eine Einrichtung in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in Health Physics, Vol. 40 (May), S. 677-683, 1981; J. Tabuada et al.: "Response of the corneal epithelium to KrF excimer laser pulses" offenbart. Dieses Dokument offenbart eine Pulslaservorrichtung, die eine Wellenlänge in dem Bereich von 198-300 nm emittiert. Jeder Laserimpuls, der eine Energiedichte von ungefähr 40 mJ - 60 mJ/cm² aufweist, stellt eine Abtragung des Hornhautgewebes oder bei 3 mJ/cm² an einer verschmutzten Hornhaut bereit.
Andere Probleme, die mit einigen der herkömmlichen Systeme auftreten, ergeben sich aus der Verwendung von giftigen Gasen für das Lasingmaterial. Dies ist insbesondere ein Problem mit Excimer- Lasern, die in Gesundheitsklinik- und Krankenhausumgebungen häufig verwendet werden.
Ein wichtiger Gesichtspunkt, der in sämtlichen voranstehend erwähnten Bezugsquellen größtenteils übersehen wird, ist die Tatsache, dass die Hornhaut ein lebender Organismus ist. Wie die meisten anderen Organismen reagiert das Hornhautgewebe auf ein Trauma, unabhängig davon, ob es durch ein Messer oder einen Laserstrahl verursacht wird. Klinische Ergebnisse haben gezeigt, dass sich in den meisten Hornhäuten nach einer Laserbrechungschiurgie mit den Systemen, die in dem Stand der Technik vorgeschlagen werden, ein gewisser Unschärfe- bzw. Verschleierungsgrad entwickelt. Es wird angenommen, dass die Hauptursache für eine derartige Verschleierung eine Oberflächenrauigkeit ist, die sich aus den Ausnehmungen und Stegen ergibt, die während eines Laserätzvorgangs gebildet werden. Zusätzlich haben klinische Studien gezeigt, dass das Ausmaß der Schleier teilweise auch von der Tiefe der Gewebebeschädigung abhängt, die durch eine äußere denaturierte Schicht charakterisiert ist, unter der ein mehr ausgeweiteter Bereich von deorganisierten Gewebefasern ist. Ein anderer Nachteil als Folge einer rauen Hornhautoberfläche bezieht sich auf den Heilprozess nach der Chirurgie: Klinische Studien haben bestätigt, dass der Schleiergrad, der in der Hornhaut entwickelt wird, mit der Rauigkeit an der Stromaloberfläche korreliert.
Für zuverlässige Abtragungsergebnisse arbeitet ein gegenwärtiges kommerzielles Excimer-Laser- Hornhautchirurgiesystem bei ungefähr 150-200 mJ/cm². Die Ätztiefe bei 193 nm beträgt ungefähr 0,5 Mikron pro Puls und die Beschädigungsschicht ist ungefähr 0,3 Mikron tief. Eine Lichtstreuung von einer derartigen Oberfläche wird erwartet.
Es ist deshalb wünschenswert, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausführen einer Hornhautchirurgie bereit zu stellen, die die Beschränkungen des Standes der Technik umgehen. Insbesondere ist es wünschenswert, ein verbessertes Verfahren für eine Hornhautchirurgie bereit zu stellen, das eine genaue Kontrolle bzw. Steuerung der Gewebeentfernung, eine Flexibilität bei der Abtragung eines Gewebes an irgendeinem gewünschten Ort mit einer vorgegebenen Abtragungstiefe, eine optisch glatte, fertig gestellte Oberfläche nach der Chirurgie und einen sanfteren chirurgischen Strahl für einen Laserabtragungsvorgang aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung bereit. Die Erfindung löst die Unzulänglichkeiten der gegenwärtigen Hornhautchirurgiesysteme, einschließlich der Verwendung von giftigen Gasen, Beschränkungen, die von einer Korrektur nur von symmetrischen Fehlern für den Fall von Excimer-Lasersystemen stammen, der extensiven Beschädigung, die von Co:MgF&sub2; und CO&sub2;-Lasersystemen verursacht wird und der Unsicherheit der Ätztiefe für den Fall von YAG oder YLF Lasersystemen.
Die Steuerung der Laserstrahlpositionierung ist ein Schlüsselelement in vielen Anwendungsgebieten geworden, wie beispielsweise bei der Bildverarbeitung, bei der graphischen Anzeige, bei der Materialverarbeitung und bei chirurgischen Anwendungen, bei denen eine Präzisionsgewebeentfernung beteiligt ist.
Ein allgemeiner Überblick des Themas wird von Fowler und Schlafer in den Proceedings von IEEE, Vol. 54 No. 10, S. 1437-1444, 1996 "A survey of laser beam deflection techniques" angegeben.
Das United States Patent Nr. 3432771 von Hardy et al., welches am 11. März 1969 erteilt ist, offenbart eine Vorrichtung zum Ändern der Richtung eines Lichtstrahls in einem optischen Resonator. Der Resonator besteht aus einem Fokussierungsobjektiv, welches zwischen zwei Reflektoren, wie gekrümmten Spiegeln, angeordnet ist. Die relative Position eines Krümmungszentrums in Bezug auf das andere Krümmungszentrum kann durch Positionieren von einem der Spiegel gesteuert werden. Punkte auf den Reflektoren sind an dem Objekt und den Bildpositionen für das Objektiv angeordnet. Wenn das aktive Medium in geeigneter Weise angeregt wird, wird die Orientierung des Lasing Modes und somit die Position der Lichtflecke durch die effektiven Winkelpositionen der Reflektoren bestimmt.
Das United States Patent Nr. 3480875 von Pole, erteilt am 25. November 1969, offenbart einen Laserresonator, der zwischen einem Paar von ebenen Spiegeln aufgebaut war. Wenigstens ein aktives Laserelement ist zwischen den Spiegeln angeordnet. Ein Paar von Linsensystemen ist zwischen den Spiegeln positioniert, so dass sie eine gemeinsame Brennebene zwischen diesen aufweisen. Eine Kerr-Zelle, Polarisierer und ein Kompensator unterdrücken eine Lichtoszillation entlang bestimmter Reflektorpfade innerhalb des Resonators, wodurch bevorzugte Oszillationsmoden entlang anderer Pfade aufgebaut werden. Eine Laseremission tritt entlang der bevorzugten Pfade auf.
Das United States Patent Nr. 3597695 vom James E. Swain, erteilt am 03. August 1971, offenbart eine Vorrichtung zum Verstärken von Laserlicht durch mehrmaliges Durchlaufen durch ein Lasingmaterial in einem einzelnen Laserhohlraum. Eine einfache Verstärkerstufe erreicht die Effekte, die durch mehrere Stufen erreicht worden sind. Dies wird durch einen Umschaltmechanismus erreicht, der einen Laserstrahl in den Hohlraum hinein und davon heraus bei gewählten Zeitintervallen richtet, wodurch eine Verstärkung von Laserpulsen mit niedriger Intensität auf einen Energiepegel nahe zu den Beschädigungsgrenzen der optischen Komponenten des Systems ermöglich.
Das United States Patent Nr. 4191928 von John L. Emmett, am 04. März 1980 erteilt, offenbart ein Hochenergie-Lasersystem unter Verwendung eines regenerativen Verstärkers, der sämtliche anderen Beschränkungen auf Laserkomponenten als den eigentümlichen Beschädigungspegel der Materie lockert, um so eine Verwendung von verfügbaren Lasersystemkomponenten zu ermöglichen. Dies kann durch die Verwendung eines räumlichen Filters mit segmentierten Komponenten erreicht werden.
Viele Techniken sind zum Steuern der Laserstrahlrichtung entwickelt worden. Für den Zweck dieser Erfindung wird diese Diskussion auf die Geschwindigkeit, Genauigkeit und den Scanwinkelbereich von unterschiedlichen Einrichtungen, die in einem Modus mit wahlfreiem Zugriff verwendet werden, beschränkt werden.
Galvanometer-Spiegelscanner weisen einen großen Scanwinkelbereich auf. Jedoch ist die mechanische Antwort als Folge des Gleichgewichts der Spule und des angelegten Magnetfelds auf einige wenige hundert Hertz beschränkt. Die Abklingzeit und die Oszillation um den Gleichgewichtspunkt beschränken ferner die Genauigkeit, die mit derartigen Einrichtungen erreicht werden kann.
Spiegel, die mit Piezo-Betätigungsgliedern positionierbar sind, können eine genaue, nachlauffreie Bewegungsantwort von bis zu · 10 Kilohertz, in Abhängigkeit von der Konstruktion der Befestigungen, erreichen. Der typische Scanwinkel ist in der Grössenordnung von einigen wenigen Milliradians. Verfahren zum Verbessern des Scanwinkels sind von J. Schlafer und V. J. Fowler, "A precision, high speed, optical beam scanner", Proceedings, International Electron Devices Meeting, 1965, vorgeschlagen worden. In ihrem Report wurden mehrere Scan-Piezo-Spiegel verwendet, um einen Laserstrahl abzufangen, so dass der Scanwinkel jedes Scanners zu dem Gesamteffekt beiträgt, der die Summe sämtlicher Scanwinkel ist. Die Einrichtung erfordert viele individuelle Scannereinheiten, was mit der Anzahl von Einheiten die wirtschaftlichen Kosten multipliziert. Die Spiegelgröße beschränkt ebenfalls die Anzahl von Einheiten, die verwendet werden können, bevor der Strahl den letzten Spiegel verfehlen wird.
Ferner sind beide der voran stehenden Verfahren nur bei einer eindimensionalen Abtastung anwendbar. Für zweidimensionale Scanvorgänge muss eine zusätzliche Einheit, die entweder eine identische oder eine Mischung mit einer anderen Einrichtung ist, zum Scannen in der anderen Dimension bereit gestellt werden, was die Kosten- und Raumerfordernisse verdoppelt.
In dem United States Patent Nr. 3480875 von R. V. Pole, ist eine Scanlasereinrichtung offenbart, bei der die räumliche Orientierung des Laserstrahl in dem Resonanzhohlraum dadurch gesteuert wird, dass er durch eine Kombination einer Verzögerungsplatte und einer Kerr-Zelle innerhalb des Laserresonators geführt wird. Bei einem spezifischen Winkel, wie durch die Kerr-Zelle bestimmt, ist ein Verlust für den Laserstrahl minimal, und deshalb wird der Laserstrahl in dieser bevorzugten Richtung oszillieren. Während dieses Verfahren ein Scannen bei großen Winkeln erlaubt, wird die Scangeschwindigkeit durch die Laseraufbauzeit beschränkt, für die die Laserstrahlintensität bei jeder neuen Strahlrichtung neu eingerichtet wird. Ein anderer Nachteil dieser Anordnung ist die Veränderung in der Laserintensität während des Laseraufbauvorgangs.
Im dem United Stetes Patent Nr. 3432771 von W. A. Hardy ist ein anderer Scanlaser offenbart, bei dem der optische Resonator aus einem Fokussierungsobjektiv und sphärischen Reflektoren oder einer äquivalenten Optik besteht, die aus einer Linse und einem planaren Spiegel besteht. Der Scanwinkel wird am effektivsten in einer optischen Anordnung vergrößert, bei der die zwei Endreflektoren einen nahezu konzentrischen Hohlraum mit der Fokussierungslinse an dem Zentrum des Fokus bilden. Der Nachteil ist, dass der Hohlraum toleriert, dass sich auseinander gehende Strahlen innerhalb des Resonators aufbauen, wie in Fig. 1 des Patents dargestellt, so dass der Laserausgang einen hohen Gehalt von multiplen transversalen Moden aufweist. Dadurch, dass der Krümmungsradius des Scanspiegels erhöht und dessen Ort fixiert gehalten wird, kann der Multimode-Inhalt verringert werden, aber der Scanwinkel wird sich demjenigen des tatsächlichen Scanwinkels mit einem möglichen kleinen Vergrößerungsfaktor annähern. Wie durch seine bevorzugte Ausführungsform mit einem elektro-optischen Strahlablenker vorgeschlagen, wird der Scanwinkel nur einige wenige Milli-Radian sein, wenn ein in der Nähe der Beugung begrenzter Laserstrahl erzeugt werden soll.
Es würde somit wünschenswert sein, eine Scanner-Verstärker-Einheit bereit zu stellen, die einen Laserpuls mit niedriger Energie empfängt und einen verstärkten Laserimpuls an einer vorgegebenen Winkelposition in zwei Dimensionen emittiert.
Die Hornhautoberfläche ist die erste optische Grenzfläche, wo sämtliches Licht in das Auge eintritt und danach Bilder auf der Retina abbildet. Die Hornhautform, der Grad der Glätte und die Klarheit bestimmen alle die visuelle Schärfe und die Kontrastempfindlichkeit des Sehsystems. Somit kann die Wichtigkeit der optischen Qualität der Hornhaut nicht überbetont werden.
Die physikalischen Grenzen für die zulässige Oberflächenrauigkeit der Hornhaut kann durch Berücksichtigung der folgenden Tatsache verstanden werden: Menschliche Photosensoren auf der Retina weisen einen Wellenlängenempfindlichkeitsbereich von ungefähr 380-850 nm in dem optischen Spektrum auf; eine Oberflächenrauigkeit, die eine Hälfte der Wellenlänge innerhalb des Empfindlichkeitsbereichs übersteigt, wird als Lichtstreuzentren arbeiten; deshalb sollte jegliche Inhomogenität der Hornhautoberfläche oder der inneren Stroma-Schicht idealerweise auf oder unter 0,2 Mikron gehalten werden, um eine optisch glatte Hornhautoberfläche zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung erkennt, dass eine optisch glatte Hornhautoberfläche und eine klare Hornhaut (einschließlich einer postoperativen Klarheit) alle für eine erfolgreiche Brechungshornhautchirurgie kritisch sind. Die Erfindung wurde mit einem bestimmten Augenmerk zum Beibehalten dieser Charakteristiken entwickelt.
Das bevorzugte Lasersystem umfasst einen Ti-dotierten Al&sub2;O&sub3;-Laser, der von ungefähr 100 bis ungefähr 50.000 Laserpulsen pro Sekunde und vorzugsweise ungefähr 10.000 Laserpulse pro Sekunde emittiert. Der Laserwellenlängenbereich ist ungefähr 198-300 nm, mit einem bevorzugten Wellenlängenbereich von ungefähr 198-215 nm und einer Impulsdauer von ungefähr 1-5000 Pikosekunden. Die Laserstrahl-Querschnittsfläche verändert sich von 1 mm im Durchmesser auf irgendeine tolerierbare, erreichbare kleinere Abmessung, wie von der bestimmten Art von Chirurgie benötigt wird.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann jeder Laserpuls an seinen beabsichtigten Ort auf der Oberfläche, die abgetragen werden soll, durch eine Laserstrahl-Steuereinrichtung gerichtet werden, beispielsweise mit dem Typ, der in der gleichzeitig anhängigen, gemeinschaftlichen Patentanmeldung für eine Erfindung "Two Dimensional Scanner-Amplifier Laser" (U.S.Patent Application Seriennummer 07/740,004, WO 93f03521) beschrieben ist. Die vorliegende Erfindung offenbart auch ein Verfahren zum Verteilen von Laserpulsen und der Energie, die auf einer Zieloberfläche aufgebracht wird, so dass eine Oberflächenrauigkeit innerhalb eines spezifischen Bereichs gesteuert wird.
Zusätzlich umfasst die bevorzugte Vorrichtung zum Ausführen einer Hornhautchirurgie eine Laserstrahl-Intensitätsüberwachungseinrichtung und eine Strahlintensitäts-Einstelleinrichtung, so dass ein konstanter Energiepegel über den gesamten Betrieb hinweg aufrecht erhalten wird. Der Ort für die Aufbringung jedes Pulses der Laserenergie relativ zu der Oberfläche, die abgetragen werden soll, wird durch eine Überwachungseinrichtung so gesteuert, dass eine Augenbewegung während der Operation durch eine entsprechende Kompensation in dem Ort des chirurgischen Strahls korrigiert wird. Die Bereitstellung eines sicheren und wirksamen Betriebs ist in der bevorzugten Vorrichtung so eingebaut, dass der Betrieb abgeschlossen werden wird, wenn die Laserparameter oder die Augenpositionierung außerhalb eines vorgegebenen tolerierbaren Bereich sind.
Unter Verwendung der Laservorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können verschiedene chirurgische Prozeduren ausgeführt werden, um Brechungsfehler zu korrigieren oder Augenkrankheiten zu behandeln. Der chirurgische Strahl kann gerichtet werden, um ein Hornhautgewebe in einer vorgegebenen Menge und an einem vorgegebenen Ort derart zu entfernen, dass der kumulative Effekt darin besteht, ein defektes oder nicht-defektes Gewebe zu entfernen oder die Krümmung der Hornhaut zu ändern, um eine verbesserte Sichtschärfe zu erzielen. Schnitte auf der Hornhaut können in irgendeiner vorgegebenen Länge und Tiefe durchgeführt werden und sie können in einer geraden Linie oder in gekrümmten Mustern sein. Alternativ können Beschneidungen des Gewebes ausgeführt werden, um ein erweitertes Gebiet zu entfernen, wie in einem Hornhauttransplantat.
Obwohl die vorwiegende Verwendung der Laservorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in der Ophthalmologie ist, kann der Laserabtragungsprozess in Gebieten der Neurologie für eine Mikrochirurgie von Nervenfasern, der Kardiologie Bär die Entfernung von Belägen und der Urologie Bär die Entfernung von Nierensteinen angewendet werden, um einige mögliche Verwendungen zu erwähnen. Die vorliegende Erfindung kann auch für Anwendungen in der Mikro-Elektronik in den Gebieten der Schaltungsreparatur, der Maskenherstellung und - reparatur und einem direkten Beschreiben von Schaltungen nützlich sein.
Die Laservorrichtung der vorliegenden Erfindung stellt ein verbessertes Verfahren Bär die Hornhautchirurgie bereit, das eine genaue Steuerung der Gewebeentfernung, der Flexibilität zum Abtragen von Gewebe an irgendeiner gewünschten Stelle mit einer vorgegebenen Abtragungstiefe, einer optisch glatten Endoberfläche nach der Chirurgie und einem sanften chirurgischen Strahl für den Laserabtragungsvorgang aufweist.
Die Laservorrichtung der vorliegenden Erfindung kann in einem neuen Verfahren zum Neuausbilden einer Hornhautoberfläche mit einer optisch glatten Endbearbeitung durch Aufbringen der Laserenergie in einem vorgeschriebenen Muster an vorgegebenen Stellen verwendet werden. Dies wird mit einer Genauigkeitssteuerung des Strahlorts mit hoher Geschwindigkeit erreicht, wie in der gleichzeitig anhängigen U.S.Anmeldung mit der Seriennummer 07/740,004 Bär eine Erfindung mit dem Titel "A two dimensional scan-amplifier laser", entsprechend zur WO 93/03521, offenbart ist.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Einrichtung zum Verbessern der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit einer Augenchirurgie durch Einstellen der Richtung des chirurgischen Strahls, um eine Kompensation für irgendeine Augenbewegung während der chirurgischen Prozedur bereit zu stellen. Zusätzlich werden die Intensität des chirurgischen Strahls, das Strahlintensitätsprofil, der Durchmesser und der Ort überwacht und während der Operation bzw. der Chirurgie aufrecht erhalten.
In Übereinstimmung mit der obigen Diskussion können diese und andere Funktionen in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung erreicht werden, die eine neue und verbesserte Laserquelle bereitstellt, die einen sanfteren chirurgischen Strahl und eine niedrigere Gewebeätztiefe als in dem Stand der Technik gelehrt, bereit stellt.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Entfernen von organischen Materialien von der Oberfläche von lebenden oder nicht-lebenden Objekten bereit zu stellen. Die vorliegende Erfindung wird spezifisch Bär die Abtragung von Gewebe auf der Hornhaut verwendet.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Einrichtung Bär eine Laserhornhautchirurgie mit einer neuen Laserquelle, die eine große Anzahl von Laserpulsen (ungefähr 100 bis 50000 Laseremissionen pro Sekunde) emittiert, die jeweils eine geringe Tiefe (ungefähr 0,2 Mikron oder weniger) des Hornhautgewebes ätzen, bereit zu stellen.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Einrichtung Bär eine Laserhornhautchirurgie mit einer neuen Laserquelle, die eine Wellenlänge von ungefähr 198-300 nm, mit einem bevorzugten Bereich von ungefähr 198-215 nm und einer Pulsdauer von ungefähr 1-5000 Pikosekunden emittiert, bereit zu stellen.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zum Aufbringen einer chirurgischen Laserstrahlenergie mit einer Strahlsteuerung, wie in der gleichzeitig anhängigen U.S. Anmeldung mit der Seriennummer 07/740,004 (entsprechend zu der WO 93/03521) für eine Erfindung mit dem Titel "A two dimensional scan-amplifier laser" beschrieben wird, um eine exakte Positionierung jedes Laserpulses zu erreichen, bereit zu stellen.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zum Entfernen des Hornhautgewebes oder von anderen organischen Materialien an vorgegebenen Orten über vorgegebene Flächen bzw. Gebieten und mit vorgegebenen Abtragungstiefen bereit zu stellen.
Es ist eine noch andere spezifische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuereinrichtung bereit zu stellen, um eine Kompensation für eine Augenbewegung während einer Operation bereit zu stellen, indem eine entsprechende Einstellung des Orts des chirurgischen Strahls vorgenommen wird. Die folgenden Aufgaben sind in Übereinstimmung mit den Lehren der gleichzeitig anhängigen gemeinsamen Patentanmeldung für die Erfindung mit dem Titel "A Two Dimensional Scanner-Amplifier Laser" (U.S.Patent mit der Seriennummer No. 07/740,004, WO-93/03521).
Die Laservorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise eine Scanner-Verstärkereinheit, die einen Laserpuls mit niedriger Energie aufnimmt und einen verstärkten Laserpuls an vorgegebenen Winkelpositionen in zwei Dimensionen emittiert.
Das bevorzugte Scanner-Verstärker-System ist ein Hochgeschwindigkeits-Scanner-Laser- Verstärkersystem, das die Möglichkeit von großen Scanwinkeln und die Möglichkeit zum Emittieren eines nahezu beugungsbegrenzten Laserstrahls mit hoher Qualität aufweist. Der bevorzugte Scanner kann einen Laserstrahl in zwei Dimensionen in einem Modus mit wahlfreiem Zugriff bei hoher Geschwindigkeit positionieren.
Es wird bevorzugt, dass das Scanner-Verstärker-System ultrakurze Laserpulse von einer Dauer von 1-500 Pikosekunden bei einer Mehrfach-Kilohertz-Wiederholungsrate erzeugt und dass die Energie von jedem Laserpuls in einer gesteuerten Weise auf einen gewünschten Pegel bis zu dem Beschädigungspegel der optischen Komponenten herauf verstärkt wird.
Vorzugsweise soll das Lasermedium durch eine Vielzahl von Laserstrahlen in einer longitudinalen Richtung gepumpt werden, so dass eine hohe Anregungsdichte in dem Lasermedium erreicht wird. Vorzugsweise kann das Scanner-Verstäker-System einen individuellen Laserpuls mit hoher Energie an einem genau beabsichtigen Winkelort in einem zweidimensionalen Raum plazieren.
Vorzugsweise umfasst die Laservorrichtung einen Ti:Al&sub2;O&sub3; Laser mit einer hohen Laserpulsrate, in dem Bereich von 1000 bis 50000 Pulsen pro Sekunde und mit einer hohen durchschnittlichen Laserleistung, in dem Bereich von mehreren Watt oder höher.
Es wird bevorzugt, dass jeder Laserpuls eine hohe Spitzenleistung und eine kurze Pulsdauer, von Sub-Pikosekunden bis Hunderten von Pikosekunden, aufweist.
Die Laservorrichtung weist vorzugsweise einen stabilen und hohen Umwandlungs-Wirkungsgrad in der zweiten harmonischen Laserwellenlänge auf, die verwendet wird, um eine Bevölkerungsinversion in dem Ti:Al&sub2;O&sub3;-Lasermedium zu erzeugen.
Das bevorzugte Verfahren zum Steuern der Richtung des Laserstrahls besteht aus einem Paar von Scanspiegeln, die von Piezo-Betätigungsgliedern angetrieben werden. Das Spiegelpaar wird in einer Tandemanordnung angetrieben. Die Scanwinkel des Spiegelpaars werden aufsummiert und von einer optischen Anordnung verstärkt. Zwei konvergente sphärische Linsen mit einer ungleichen Brennweite sind zwischen den Scanspiegeln in einer derartigen Weise angeordnet, dass sich ein Laserstrahl innerhalb des Resonators bewegen wird, bei dem die Grenze durch die Scanspiegel definiert wird. Für jedem Umlauf des Laserstrahls innerhalb des Resonators erhöht sich der Winkel des Laserstrahls zu einem Austrittsfenster als ein Vielfaches der tatsächlichen Scanwinkel der Scanspiegel.
Die Richtung des Laserstrahls, der von dem Scanner-Verstärkersystem emittiert wird, ist vorzugsweise in zwei Dimensionen, mit hoher Geschwindigkeit und mit hoher Genauigkeit, steuerbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Laserstrahl durch eine Verstärkungseinrichtung mit Keimlaserimpulsen erzeugt. Eine optische Verzögerungsplatte, eine Pockels-Zelle und polarisationsabhängige optische Elemente werden für die Steuerung eines Keimlaserstrahls und zum Richten dieses Laserstrahls in den Verstärkerresonator hinein verwendet. Ein Laserverstärkungsmedium ist in dem Resonator enthalten. Eine Einrichtung zum Anregen des Lasermediums und zum Erzeugen von Mehrfach-Kilohertz-Laserimpulsen mit einer ultrakurzen Dauer werden in der Erfindung offenbart. Eine Einrichtung zum Steuern des Zeitpunktes und der Synchronisation des Keimimpulses, der Pumpquelle und der verstärkten Laserpulse innerhalb des Scanner-Verstärker-Resonators wird ebenfalls bereit gestellt. Es ist eine Aufgabe dieser Ausführungsform, eine Einrichtung und ein Verfahren zum Kombinieren einer Vielzahl von Laserstrahlen bereit zu stellen, um eine Hochleistungs-Laserstrahlquelle bereit zu stellen.
Vorzugsweise wird ein Kombinierer bereit gestellt, zum Kombinieren einer Vielzahl von Laserstrahlen, die keine Form von spezifischer Polarisation in jedem der Komponentenstrahlen erfordern. Es ist eine Aufgabe eines derartigen Kombinierers, dass er ein Strahlbündel bilden kann, welches aus einer großen Anzahl von Strahlen in einem kleinem Querschnitt besteht.
Der Kombinierer beseitigt Beschränkungen, die von der physikalischen Größe der Strahlführungsoptik und den optischen Anbringungen (ein früheres Verfahren einer Strahlkombination stützt sich auf die Richtung der linearen Polarisation, und dieses Verfahren ist auf das Kombinieren von nur zwei Strahlen beschränkt) auferlegt werden.
Die Einzelheiten der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den folgenden Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung aufgeführt. Sobald die Einzelheiten der Erfindung bekannt sind, werden zahlreiche zusätzliche Innovationen und Änderungen einem Durchschnittsfachmann in dem technischen Gebiet offensichtlich werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2A eine Seitenansicht eines Strahldurchmessersensors, einschließlich einer Abbildungseinrichtung, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2B eine Vordereinsicht der Abbildungseinrichtung der Fig. 2A;
Fig. 3A eine Seitenansicht eines Strahlortsensors, einschließlich eines Photodetektors, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3B eine Vorderansicht des Photodetektors der Fig. 3A;
Fig. 4A eine perspektivische Ansicht eines Vakuumrings, der im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 4B eine obere Draufsicht auf den Vakuumring der Fig. 4A;
Fig. 4C ein Blockdiagramm eines Augenverfolgungssystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5A ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Wellenlängenumwandlers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5B ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Wellenlängenumwandlers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6A ein Diagramm eines ersten Laserstrahl-Intensitätsprofils in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6B ein Diagramm eines Hornhaut-Ätzprofils, das sich von dem Laserstrahl- Intensitätsprofil ergibt, das in Fig. 6A gezeigt ist;
Fig. 6C ein Diagramm von zweiten und dritten Laserstrahl-Intensitätsprofilen in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik;
Fig. 6D ein Diagramm der Hornhaut-Ätzprofile, die sich von den Laserstahl-Intensitätsprofilen ergeben, die in Fig. 6C gezeigt sind;
Fig. 6E ein Diagramm eines Musters von Laserstrahl-Intensitätsprofilen in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik;
Fig. 6F ein Diagramm des Laserstrahl-Intensitätsprofils, das sich von dem in Fig. 6E gezeigten Muster ergibt;
Fig. 6 G ein Diagramm eines Hornhaut-Ätzprofils, das sich von dem in Fig. 6F gezeigten Laserstrahl-Intensitätsprofil ergibt;
Fig. 7A ein Diagramm eines ersten Pegelmusters, das beim Scannen eines Ziels (Targets) mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 7B ein Diagramm eines zweiten Pegelmusters, das beim Scannen eines Ziels mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 7C eine obere Ansicht und eine Seitenansicht eines Musters von konzentrischen Kreisen, die auf einer Hornhaut unter Verwendung der Ätzaufbringungsmuster der vorliegenden Erfindung geätzt sind;
Fig. 7D einen Satz von Kurven, die die Spitze-Zu-Durch-Abstände von Ätzmustern der Ebene eins, der Ebene zwei und der Ebene drei in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 7E ein Diagramm, das die Messachsen zeigt, die zum Berechnen der Spitze-Zu-Durch- Abstände der Ebene zwei und der Ebene drei der Fig. 7D verwendet werden;
Fig. 8 ein Blockdiagramm einer Führungsstrahleinheit in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9A eine obere Ansicht einer Hornhaut, die die Verwendung der vorliegenden Erfindung zeigt, radiale Schnitte auf der Hornhaut zu bilden.
Fig. 9B eine Querschnitts-Seitenansicht einer Hornhaut, die Schnitte mit variabler Tiefe zeigt, die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung gebildet werden;
Fig. 9C eine Seitenansicht einer Hornhaut, die die Verwendung der vorliegenden Erfindung zeigt, um transversal geschnittene Schnitte auf der Hornhaut zu bilden;
Fig. 10A eine Querschnitts-Seitenansicht einer Hornhaut, die die Verwendung der vorliegenden Erfindung zum Entfernen von Gewebe auf eine gewünschte Tiefe D über einer vorgegebenen Fläche auf der Hornhaut zeigt und ein alternatives Verfahren zum Ausführen eines Hornhauttransplantats zeigt;
Fig. 10B eine Querschnitts-Seitenansicht einer Hornhaut, die die Verwendung der vorliegenden Erfindung zeigt, um eine Kurzsichtigkeit zu korrigieren;
Fig. 10C eine Querschnitts-Seitenansicht einer Hornhaut, die die Verwendung der vorliegenden Erfindung zeigt, um eine Weitsichtigkeit zu korrigieren;
Fig. 11 ein schematisches Diagramm der integrierten Scanner-Verstärker-Einheit, die aus einer Reihe von optischen Intra-Resonator-Elementen besteht;
Fig. 12 ein schematisches Diagramm, das eine zweite Ausführungsform der integrierten Scanner-Verstärker-Einheit der Erfindung zeigt;
Fig. 13 ein schematisches Diagramm, das den Prozess einer Winkelverstärkung für den Laserstrahl innerhalb des Scanner-Verstärker-Resonators zeigt;
Fig. 14A eine schematische Ansicht, die eine Einrichtung zum Erzeugen einer stabilen Laserleistung der zweiten Harmonischen zeigt;
Fig. 14B eine perspektivische Ansicht die einen räumlichen Kombinierer zum Kombinieren der Vielzahl von Pumpstrahlen der Fig. 14A zeigt;
Fig. 14C schematisch das Kombinieren der Strahlen der Fig. 14A in einen einzelnen Strahl der zweiten Harmonischen aus dem erzeugten Strahl der Fig. 14A;
Fig. 15A eine perspektivische Explosionsansicht, die ein Verfahren zum Anbringen des Lasermediums zeigt;
Fig. 15B eine aufgeschnittene perspektivische Ansicht des Lasermediums der Fig. 15A, eingeschlossen in einer Wasserummantelung für eine Kühlung;
Fig. 16 ein Blockdiagramm, das die elektrischen Verbindungen zwischen dem Modeneingerasteten Lasertreiber, der Timer-Teilerschaltung, dem Pockels-Zellen-Treiber und dem Q-Schalter- Treiber des Pumplasers zeigt; und
Fig. 17 ein Diagramm, das die Synchronisation zwischen den Moden- eingerasteten Laserpulsen, den gewählten Laserpulsen nach der Timer-Teiler-Schaltung, den Q-geschalteten Laserpulsen zum Pumpen des Verstärkungsmediums und der Halbwellen-Wellenform eines optischen Schalters zeigt. Die gleichen Bezugszeichen und Bezeichnungen in den verschiedenen Zeichnungen beziehen sich auf gleiche Elemente.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Überall in dieser Beschreibung sollten die bevorzugte Ausführungsform und die dargestellten Beispiele als beispielhaft und nicht als Beschränkungen für das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung angesehen werden.

HINTERGRUNDINFORMATION

Die Laservorrichtung und das System, die in dieser Erfindung offenbart werden, sind zum Erreichen von zwei Hauptzielrichtungen vorgesehen:
(1) Die Beschädigungszone unterhalb des Materials, das von dem vorliegenden Lasersystem abgetragen wird, muss im Vergleich mit herkömmlichen Lasersystemen wesentlich verringert werden.
(2) Für jeden Laserpuls, der auf der Hornhaut aufgebracht wird, soll eine definitive vorgegebene Tiefe des Gewebes abgetragen werden. Die abgetragene Tiefe pro Laserpuls muss steuerbar und ungefähr 0,2 Mikron oder weniger und vorzugsweise ungefähr 0,05 Mikron oder weniger sein. Eine kurze Diskussion der Mechanismen des Abtragungsprozesses ist nützlich zum Verständnis, wie die angegebenen Zielrichtungen durch die Lehre der vorliegenden Erfindung erreicht werden können. Es ist eine altbekannte Tatsache, dass eine Laserabtragung auftreten kann, wenn die Laserstrahlintensität über einen bestimmten Pegel hinaus erhöht wird. Die tatsächlichen Abtragungsbedingungen verändern sich jedoch in Abhängigkeit von den Charakteristiken eines breiten Bereichs von Laserparametern und der Zusammensetzung des Materials, welches abgetragen werden soll. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung werden nur diejenigen Aspekte diskutiert werden, die für die zwei Hauptzielrichtungen relevant sind.
Wenn eine Laserenergie in einem organischen Material absorbiert wird, führt die elektronische Konfiguration der Targetpolymermoleküle, auf dem untersten Niveau, einen Übergang auf einen von ihren angeregten elektronischen Zuständen aus.
Jedes Polymer ist aus Hunderten oder einer größeren Anzahl von Untereinheiten mit kleineren Molekülen gebildet, die als Monomere bezeichnet werden. Die Monomere sind aus noch kleineren Einheiten von Radikalen gebildet, die aus Kombinationen von Wasserstoff-, Kohlenstoff-, Sauerstoff und Stickstoffatomen bestehen. In Abhängigkeit von dem Energieniveau der Laserphotonen kann ein Polymer in einzelne Monomere, Radikale oder ionisierte Atome aufgebrochen werden. Für einen Laser mit einer Wellenlänge in der Nähe von 200 nm ist ein einzelnes Laserphoton nicht ausreichend energetisch, um irgendeine molekulare Verbindung aufzubrechen. Nach Absorbieren eines anfänglichen Atoms wird jedoch ein Molekül auf eine angeregte elektronische Zustandskonfiguration gefördert, mit ihren Elektronen in höheren Energieumlaufbahnen.
Mit erhöhten Leistungspegeln des Laserstrahls nimmt die Dichte von angeregten Elektronen entsprechend zu. Gleichzeitig wandern die angeregten Elektronen die polymerische Kette des organischen Materials herunter und verteilen sich in Richtung auf das Massevolumen mit einer geringeren angeregten Zustandsdichte. Die vorliegende Erfindung erkennt, dass die elektronischen Umlaufteilchen in dem angeregten Zustand das Mittel für eine Energiespeicherung sind, die schließlich den Abtragungsprozess fördern wird, und der Migrationsprozess für den elektronischen Energiezustand spielt eine wichtige Rolle in den dynamischen Vorgängen, die die Initiierung der Laserabtragung steuern.
Wenn die Laserstrahlintensität weiter in Richtung auf die Abtragungsschwelle ansteigt, dann erreicht die Dichte von angeregten Elektronen eine kritische Volumendichte, so dass die elektronischen Umlaufbahnen Paare bilden und die Summe ihrer Energie an einzelne Elektronenumlaufbahnen transferieren können. Dieser Prozess bricht das Molekül in zwei oder eine größere Anzahl von Teilen auf und gibt ein energetisches Elektron frei. An diesem Punkt wird das organische Medium beschädigt, aber noch nicht abgetragen.
Es sei nun die geometrische Verteilung der Umlaufbahnen des angeregten Zustands in einem organischen Material betrachtet. Wenn das Laserlicht in dem organischen Material absorbiert wird, nimmt die vordere Oberfläche, wo das Material zunächst freigelegt wird, den größten Teil der Laserphotonen wahr, durch das Gesetz von Berr, und die Strahlintensität nimmt exponentiell ab, wenn sie tiefer in das Material hinein geht. Somit verkleinert die räumliche Verteilung der angeregten Zustandsdichte auch entsprechend eine Charakteristik des Absorptionskoeffizienten des Materials bei der Laserwellenlänge. Es folgt, dass die Steigung der Verteilungskurve der angeregten Zustandsdichte sich direkt auf den Absorptionskoeffizienten bezieht. Zusätzlich gilt, dass, je steiler die Steigung der Dichteverteilungskurve für den angeregten Zustand ist, desto mehr räumlich ist die angeregte Zustandsdichte lokalisiert. Der bevorzugte Bereich der Absorptionstiefe des chirurgischen Laserstrahls in der Hornhaut ist kleiner als ungefähr 50 Mikron.
Alternativ kann die Abtragungsschwelle bei einer niedrigeren Laserspitzenleistung erreicht werden, vorausgesetzt, dass das Material für eine längere Periode freigelegt wird. Wenn, in Übereinstimmung mit der obigen Diskussion, die gesamte integrierte Energie eines Laserpulses die gleiche wie diejenige eines kürzeren Pulses ist, dann würde die angeregte Zustandsdichte, die durch den längeren Puls eingerichtet wird, als Folge der zusätzlichen Zeit, die für eine Energiemigration aus dem bestrahlten Volumen heraus verfügbar ist geringer sein. Um die gleiche Abtragungsschwelle für einen längeren Puls zu erreichen, muss der längere Puls deshalb eine größere gesamte integrierte Dichte als ein kürzerer Impuls mit der gleichen Abtragungsschwelle aufweisen. Empirische Ergebnisse, die von Materialbeschädigungen erhalten werden, zeigen an, dass eine bestimmte Beschädigungsschwelle mit einem gepulsten Laserstrahl mit einem Faktor 100 länger in der Dauer als ein Puls mit einer kürzeren Dauer erreicht werden kann, vorausgesetzt, dass die gesamte integrierte Energie des längeren Laserpulses um ungefähr einen Faktor 10 über die integrierte Energie des kürzeren Impulses erhöht wird.
Wenn in Übereinstimmung mit der obigen Diskussion Pulse mit längerer Dauer verwendet werden, wird der Energiemigrationsprozess durch ein zusätzliches Laserstrahlpumpen ausgeglichen, um die kritische angeregte Zustandsdichte aufzubauen. Wichtig ist, dass mit einem längeren Laserimpuls sich die umlaufenden Teilchen des angeregten Zustands von der vorderen Oberfläche in die Tiefe des Materials hinein (entlang der Laserstrahlrichtung) diffundieren. Somit wird die Verteilungskurve des angeregten Zustands im Vergleich mit der Kurve für einen kürzeren Puls eine weniger steile Steigung aufweisen. Die vorliegende Erfindung erkennt, dass die Tiefe der Hornhautschicht, die ausreichende umlaufende Teilchen des angeregten Zustands aufweist, um die Beschädigungsschwellenbedingung zu erfüllen, entsprechend vertieft werden wird. Deshalb ist die Hornhautbeschädigung, die durch einen Laserpuls längerer Dauer hervorgebracht wird, intensiver als die Beschädigung, die mit einem Puls kürzerer Dauer hervorgebracht wird.
In Anbetracht dieser Beobachtungen und Charakteristiken verwendet die vorliegende Erfindung Laserpulse kurzer Dauer von ungefähr 1-5000 Pikosekunden, um eine hervorgerufene Beschädigung an Zielgeweben zu verringern.
Die andere Kernzielrichtung der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kleine und dennoch reproduzierbare Ätztiefe an der Hornhautoberfläche von jedem Laserpuls zu erreichen. Es ist wichtig zu er wähnen, dass eine reproduzierbare Ätztiefe nicht notwendigerweise bei verringerten Pegeln der Laserenergie pro Puls erreicht werden kann, insbesondere dann, wenn der Energiepegel so ist, dass er nahe zu einem beliebig kleinen Wert über der Abtragungsenergieschwelle ist. Für einen Excimer-Laser beträgt die typische Laserenergiedichte in dem chirurgischen Stahl, die für eine Hornhautabtragung benötigt wird, ungefähr 150-250 mJ/cm². Der Abtragungsschwellenpegel für einen Excimer-Laser beträgt ungefähr 50 mJ/cm²; grundlegend kann keine abtragende Wirkung bei einer Laserenergiedichte unter diesem Schwellenpegel beobachtet werden.
Es ist auch wichtig zu erwähnen, dass eine Beobachtung eines abtragenden Vorgangs in der Nähe der Schwellenbedingung durch einen statistischen Prozess bestimmt wird. D. h., eine Bestimmung der durchschnittlichen Ätztiefe für Laserstrahlenergien in der Nähe der Abtragungsenergieschwelle werden durch Messen einer tatsächlichen Ätztiefe nach Hunderten oder manchmal Tausenden von Laserpulsen über dem gleichen Ort und Bestimmen einer durchschnittlichen Ätztiefe pro Puls abgeleitet. Auf einer Einzelimpulsbasis könnte sich jedoch die Ätztiefe signifikant verändern und die meisten der Laserpulse können überhaupt kein Material abtragen.
Um deshalb eine zuverlässige Ätztiefe für jeden einzelnen Laserpuls sicher zu stellen, erkennt die vorliegende Erfindung, dass die Betriebsenergie pro Puls auf ein Vielfaches des Abtragungsenergieschwellenpegels eingestellt werden muss; ein Faktor von 3-4 mal der Abtragungsenergieschwelle ist gewöhnlicherweise ausreichend, um zufriedenstellende Ergebnisse zu erreichen. Demzufolge verwendet die vorliegende Erfindung eine Abtragungsenergiedichte von kleiner als oder gleich zu ungefähr 10 mJ/cm², um eine reproduzierbare Einzelpuls-Ätzrate von ungefähr 0,2 Mikron oder weniger pro Laserpuls und vorzugsweise 0,05 Mikron oder weniger pro Laserpuls zu erzielen. Dies ist im Gegensatz zu gegenwärtigen Excimer-Lasern, die nur eine reproduzierbare Einzelpulsätzung bei einer Ätzrate von nicht kleiner als ungefähr 0,3-0,5 Mikron pro Laserpuls, mit einer daraus folgenden Lichtstreuung als Folge der Unregelmäßigkeiten der Hornhautoberfläche, bereit stellen.
Die vorliegende Erfindung erkennt auch die Vorteile einer Abtragung der Hornhaut mit einem Laserstrahl, der eine geringe Energiedichte aufweist. Ein sanfter Laserstrahl, einer, der bei einer niedrigeren Energiedichte für die chirurgischen Prozeduren arbeiten kann, wird deutlich den Vorteil aufweisen, dass er ein geringeres Trauma an dem darunter liegenden Gewebe hervorruft. Die Wichtigkeit dieses Punkts kann dadurch illustriert werden, dass die dynamischen Vorgänge des Abtragungsprozesses in einem mikroskopischen Maßstab betrachtet werden: Der Abtragungsprozess ist grundlegend ein explosives Ereignis. Während einer Abtragung werden organische Materialien in ihre kleineren Subeinheiten aufgebrochen, die einen großen Betrag der kinetischen Energie kumulieren und von der Hostoberfläche bei einer Ultraschallgeschwindigkeit ausgeworfen werden. Das Gewebe unterhalb des abgetragenen Bereichs absorbiert die Rückstellkräfte von derartigen Auswurfvorgängen. Die vorliegende Erfindung erkennt, dass eine seichtere bzw. geringere Ätztiefe eine geringere ausgeworfene Masse pro Fläche mit sich bringt und somit die Rückstellkräfte entsprechend verringert. In Übereinstimmung mit der voranstehenden Diskussion stellen die Lasercharakteristiken des vorliegenden chirurgischen Systems eine Energiedichte bereit, die zu einer reproduzierbaren Einzelpuls-Ätzrate von nur ungefähr 0,2 Mikron oder weniger pro Puls und vorzugsweise 0,05 Mikron oder weniger pro Puls, führt. Eine derartige seichte bzw. kleine Ätzrate bedeutet, dass pro Laserpuls eine geringere Masse ausgestoßen wird. Die Beschädigungseinwirkung auf das darunter liegende Gewebe ist um einen Faktor von 10 im Vergleich mit der geringsten Ätzrate, die in dem Stand der Technik erreichbar ist, geringer.
Eine andere Vorgehensweise, um den Stoß auf die Hornhaut zu verringern, ist durch die Verwendung einer kleineren Strahlfläche an der Hornhaut, um die integrierten Rückstoßkräfte zu verringern. Demzufolge verändert sich die Laserstrahl-Querschnittsfläche der Erfindung von 1 mm im Durchmesser auf irgendeine tolerierbar erreichbare kleinere Dimension, wie von dem bestimmten Typ von Chirurgie erforderlich. Diese Charakteristik der Erfindung ist im Gegensatz zu gegenwärtigen Excimer- Laser-Chirurgiesystemen, die eine Abtragungszone einem chirurgischen Strahl aussetzen, der einen Durchmesser von 4-6 mm aufweist.
Zusammengefasst trägt das bevorzugte Laser-Hornhaut-Chirurgiesystem ein Horuhautgewebe reproduzierbar bei einer einzelnen Puls-Ätzrate von ungefähr 0,2 Mikron oder weniger pro Laserpuls und vorzugsweise ungefähr 0,05 Mikron oder weniger pro Laserpuls, ab. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erzielt eine Laserquelle mit einem Wellenlängenbereich von ungefähr 198-300 nm (mit einem bevorzugten Bereich von ungefähr 198-215 nm) und einer Impulsdauer von ungefähr 1 - 5000 Pikosekunden eine zuverlässige Einzelimpuls-Abtragung auf der Hornhaut. Die Intensität der Laserimpulse wird geregelt, so dass sie eine Abtragungsenergiedichte von kleiner als oder gleich zu ungefähr 10 mJ/cm² aufweisen.

DIE ERFINDUNGSGEMÄßE VORRICHTUNG

Fig. 1 zeigt die bevorzugte Konfiguration der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Eine Lasereinheit 100 erzeugt einen anfänglichen Laserstrahl B1. Bei der Lasereinheit 100 handelt es sich um den Typ, der einen Strahl schnell ablenkbar oder scanbar unter einer elektronischen Steuerung in zwei Dimensionen an irgendeinen Ort in einer Fläche, die durch orthogonale X- und Y-Achsen definiert wird, ausgeben kann. Eine derartige Lasereinheit ist ausführlich in der gleichzeitig anhängigen gemeinschaftlichen Patentanmeldung für eine Erfindung mit dem Titel "A Two Dimensional Scanner Amplifier Laser" (U.S.Patentanmeldung mit der Seriennummer 07/740,004, WO 93/03521) und in dem relevanten Text, der nachstehend reproduziert wird, beschrieben.
Der anfängliche Laserstrahl B1 umfasst eine Sequenz von Laserpulsen mit einer Pulswiederholungsrate von ungefähr 100 bis 50000 Pulsen je Sekunde. Jeder Laserpuls weist auf eine Pulsdauer auf, die von 1 Pikosekunde auf ungefähr 5000 Pikosekunden verändert werden kann. Die tatsächliche Anzahl von Laserpulsen, die für eine Chirurgie verwendet werden, wird durch die Menge des Gewebes, die entfernt werden soll, bestimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Lasereinheit 100 einen Keimlaser 102 und einen Scanner-Verstärker-Laser 104. Vorzugsweise ist das Lasermedium in sowohl dem Keimlaser 102 als auch dem Scanner-Verstärker 104 ein mit T1 dotierter Al&sub2;O&sub3;-Laserkristall. Weitere Einzelheiten des Aufbaus und des Betriebs der Lasereinheit 100 sind nachstehend aufgeführt. Nach Austritt von der Lasereinheit 100 geht der Laserstrahl B1 durch eine computersteuerbare motorisierte Zoomlinse 106, die eine Steuerung für den Durchmesser des Laserstrahls B1 bereit stellt. In der Praxis kann die Zoomlinse 106 in einer Anzahl von geeigneten Positionen entlang des optischen Pfads des Laserstrahls zwischen der Lasereinheit 100 und einem Ziel (Target) angeordnet werden. Die Motorbetätigung der Zoomlinse 106 kann durch irgendeine bekannte Einrichtung vorgenommen werden, beispielsweise durch elektrische Getriebeantriebe oder Piezo-elektrische Betätigungsglieder.
Die bevorzugte Laserwellenlänge für den anfänglichen Laserstrahl B1 ist in dem Bereich von 790 -860 nm. Die Laserphotonenenergie in dem anfänglichen Laserstahl B1 wird in einem ersten Wellenlängenumwandler 108 (der nachstehend beschrieben wird) durch eine nicht-lineare Wellenmischung mit einem zweiten Laserstrahl B2, der ungefähr zweimal die Photonenergie des anfänglichen Laserstrahls und eine Wellenlänge in dem Bereich von ungefähr 395-430 nm aufweist, umgewandelt.
Um die bevorzugten Betriebslaserwellenlängen von ungefähr 198-215 nm zu erreichen, wird der zweite Laserstrahl B2 durch einen zweiten Wellenlängen-Umwandler 110 (nachstehend beschrieben) geführt. Die Laserphotonenenergie in dem zweiten Laserstrahl B2 wird wiederum durch eine nicht-lineare Wellenmischung mit einem dritten Laserstrahl B3, der ungefähr viermal die Photonenenergie des anfänglichen Laserstrahls und eine Wellenlänge in dem Bereich von ungefähr 198-215 nm aufweist, umgewandelt.
In einer alternativen Ausführungsform kann der anfängliche Laserstrahl B1 in der Wellenlänge auf den gewünschten Wellenlängenbereich von ungefähr 198-215 nm unter Verwendung eines Einzelstufen- Umwandlers (der nachstehend beschrieben wird) umgewandelt werden.

STEUERSYSTEM FÜR DEN CHIRURGISCHEN LASERSTRAHL

Während der dritte Laserstrahl B3 direkt für chirurgische Zwecke verwendet werden könnte, umfasst die gesamte Vorrichtung für den chirurgischen Laser eine Anzahl von Steuerungs- und Sicherheitssystemen. Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zum Überwachen und Steuern der Intensität des Strahls, eine Einrichtung zum Abblocken des chirurgischen Strahls für den Fall einer Fehlfunktion, eine Einrichtung zum Überwachen und Steuern des Laserstrahldurchmessers und des Intensitätsprofils und eine Einrichtung zum Überprüfen der zweidimensionalen (X-Y) Scanposition des chirurgischen Strahls.
Wiederum Bezug nehmend auf Fig. 1 geht der dritte Laserstrahl B3 durch einen Strahlintensitäts-Controller 112, dessen Ausgang der chirurgische Laserstrahl 5 ist. Der Strahlintensitäts- Controller (Steuereinrichtung) 112 erlaubt eine Regelung der Energie jedes Laserpulses so, dass die Ätztiefe jedes Pulses genau gesteuert werden kann.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der Strahlintensitäts-Controller 112 ein elektro-optisches Filter, beispielsweise eine elektrisch aktivierte Pockels-Zelle in Kombination mit einem angrenzenden Polarisationsfilter. Die Pockels-Zelle kann z. B. LiNbO&sub3; oder irgendeinen anderen elektro-optischen Kristall, wie Kalium-Diwasserstoff-Phosphat (KH&sub2;PPO&sub4;), was auch als KDP bekannt ist, umfassen. Pockels- Zellen sind von mehreren Quellen kommerziell erhältlich, einschließlich Medox Electro-Optics of Ann Arbor, Michigan. Mit der Anlegung einer elektrischen Spannung über den elektro-optischen Kristall in einer Pockels-Zelle kann bis zu einer Verzögerung einer halben Welle in dem elektrischen Feldvektor des einfallenden Laserstrahls erzeugt werden. In Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung kann die lineare Polarisation eines Laserstrahls, der durch den Kristall geht, von einer horizontalen Polarisation auf eine vertikale oder umgekehrt verzögert werden. Der Polarisierer, der angrenzend zu der Pockels-Zelle angeordnet ist, wirkt als ein Wähler in Bezug auf den einfallenden Strahl von der Pockels-Zelle. Wenn, wie bekannt ist, der Strahl, der auf den Polarisierer auftritt, orthogonal durch die Pockels-Zelle polarisiert wird, wird der Strahl im wesentlichen von dem Polarisierer abgeblockt. Geringere Grade einer Verzögerung, die von der Pockels-Zelle erzeugt wird, werden dazu führen, dass ein gewisser Teil des Lichts durch den Polarisierer geht. Durch Steuern des Betrags der Verzögerung, der in der Pockels-Zelle erzeugt wird, kann die Intensität des einfallenden Laserstrahls elektrisch gesteuert werden.
In der bevorzugten Ausführungsform wird der Strahlintensitäts-Controller 112 mit einer Computersteuereinheit 114 gekoppelt, die in geeigneter Weise programmiert ist, um die Intensität des ausgegebenen chirurgischen Laserstrahls S. wie für eine bestimme chirurgische Prozedur benötigt, zu verändern. Der Grad einer Verzögerung als Funktion des angelegten elektrischen Signals kann durch Standardkalibrierungstechniken sichergestellt werden. Der bevorzugte Ort der Strahlintensitäts- Steuereinheit 112 ist wie in Fig. 1 gezeigt. Jedoch kann die Strahlintensitäts-Steuereinheit 112 an mehreren geeigneten Stellen in dem Strahlpfad zwischen der Lasereinheit 100 und einem Target angeordnet werden. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Intensität des chirurgischen Strahls S so geregelt, dass sie eine Abtragungsenergiedichte von kleiner als oder gleich zu ungefähr 10 mJ/cm² aufweist.
Die vorliegende Erfindung ermöglich optional eine Messung mit einer positiven Rückkopplung der Strahlintensität. Ein teilweise transmittierender Strahlteilungsspiegel 116 wird nach dem Strahlintensitäts- Controller 112 angeordnet und der reflektierte Strahl Ri wird an einen Strahlintensitätssensor 118 gerichtet. Der Strahlintensitätssensor 118 kann einfach eine Photozelle sein, obwohl andere Elemente, wie eine Fokussierungsoptik, enthalten sein können. Durch Überwachen des elektrischen Ausgangs des Strahlintensitätssensors 118 mit der Computersteuereinheit 114 kann die Intensität des chirurgischen Laserstrahls S positiv gemessen werden, um den richtigen Betrieb des Strahlintensitäts-Controllers 112 zu verifizieren. Der Ausgang des Strahlintensitätssensors 118 als eine Funktion der Intensität des chirurgischen Laserstrahls S kann durch Standardkalibrierungstechniken festgestellt werden.
Das erfindungsgemäße System umfasst vorzugsweise auch einen Sicherheitsverschluss 120, der mit der Computersteuereinheit 114 gekoppelt ist. Der Sicherheits-Verschluss 120 kann zum Beispiel ein mechanisch-betätigter Verschluss, der in einem "Ausfallsicherungs"-Modus betrieben wird. Zum Beispiel kann der Sicherheitsverschluss 120 eine von einem Solenoid betätigte Abschirmung umfassen, die durch eine Anlegung einer elektrischen Energie an das Solenoid positiv offengehalten wird. Auf einen Befehl von der Computersteuereinheit 114 oder einem Ausfall des gesamten Systems hin wird eine elektrische Energie an das Solenoid ausgeschaltet, wodurch das Solenoid veranlasst wird, die Abschirmung in eine Position zurückzuziehen, um den Pfad des chirurgischen Laserstrahls S abzublocken.
Alternativ kann der Sicherheitsverschluss 120 eine Pockels-Zelle und einen Polarisierer, die als ein Lichtventil konfiguriert sind, umfassen, wobei die Pockels-Zelle in bezug auf den Polarisierer durch Anlegung einer elektrischen Spannung vorgespannt wird, so dass normalerweise ein maximales Licht durch die Kombination übertragen wird. Die Entfernung der angelegten Spannung wird bewirken, dass der Ausgang der Pockels-Zelle orthogonal zu der Übertragungsrichtung des Polarisierers polarisiert wird, wodurch der chirurgische Laserstrahl S abgeblockt wird. Unter Verwendung dieser alternativen Konfiguration kann der Sicherheitsverschluss 120 und der Strahlintensitäts-Controller 112 in eine einzelne Einheit kombiniert werden.
Irgendeine andere geeignete Einrichtung zum schnellen Abblocken des chirurgischen Laserstrahls S bei einem Befehl oder für den Fall eines Systemausfalls kann verwendet werden, um den Sicherheitsverschluss 120 zu implementieren. In der Praxis kann der Sicherheitsverschluss 120 an einer Anzahl von geeigneten Positionen entlang des optischen Pfads des Laserstrahls zwischen der Lasereinheit 100 und einem Target (Ziel) angeordnet werden.
Um einen Strahldurchmesser zu steuern, stellt das erfindungsgemäße System einen teilweise transmittierenden Strahlteilerspiegel 122 bereit, der einen Teil des Strahls Rd an einen Strahldurchmessersensor 124 reflektiert. In der Praxis kann der Strahldurchmessersensor 124 an einer Anzahl von geeigneten Positionen entlang des optischen Pfads des Laserstrahls zwischen der Lasereinheit 100 und einem Target angeordnet werden.
Bezugnehmend auf die Fig. 2A umfasst der Strahldurchmessersensor 124 vorzugsweise wenigstens eine zerstreuende (konkave) Linse 200 und eine sammelnde (konvexe) Linse 202, die als ein Vergrößerungsteleskop konfiguriert sind (d. h. die zwei Linsen weisen einen gemeinsamen Brennpunkt auf, wobei die Brennweite f&sub2; der Sammellinse 202 größer als die Brennweite f&sub1; der Zerstreuungslinse 200 ist, und wobei sie optische Mitten aufweisen, die zu dem einfallenden Laserstrahl in dessen nicht abgelenkter Position ausgerichtet sind). Der einfallende Strahl Rd tritt in die Zerstreuungslinse 200 ein und tritt von der Sammellinse 202 aus. Während sie den einfallenden Strahl vergrößert, wird eine derartige Konfiguration von Linsen auch den Scanwinkel des austretenden Strahls verkleinern.
Der sich ergebende vergrößerte Strahl wird an eine Abbildungseinrichtung 204 mit niedriger Dichte und niedrigem Kontrast gerichtet, beispielsweise einer Kamera mit einer ladungsgekoppelten Einrichtung (CCD). In der bevorzugten Ausführungsform ist eine CCD-Kamera geeignet, die ein 64 · 64 Pixelfeld mit zwei oder einer größeren Anzahl von Kontrastbits aufweist. Derartige Kameras sind kommerziell erhältlich. Die zwei Linsen 200, 202 werden gewählt, um den einfallenden Strahl Rd so auszuweiten, dass der größtmögliche Durchmesser 206 für den Strahl genau in die Abbildungseinrichtung 204 passt (siehe Fig. 2B, die nur eine Zeile und eine Spalte von Pixeln zeigt).
In der bevorzugten Ausführungsform wird die Größe des Strahls dadurch bestimmt, dass periodisch eine zentrale Zeile und eine zentrale Spalte der Abbildungseinrichtung 204 adressiert wird und die Anzahl von Pixeln auf jeder abgetasteten Achse gezählt werden, die beleuchtet worden sind. Durch Vergleichen des Durchmessers des Strahls in sowohl der X- als auch der Y-Richtung, kann der Strahldurchmessersensor 124 bestimmen, ob der einfallende Laserstrahl B1 ungefähr kreisförmig ist und den gewünschten Durchmesser aufweist. Wenn die Anzahl von Pixeln, die auf jeder Achse beleuchtet werden, 20 Pixel sind, wird zum Beispiel bekannt sein, dass der Strahl die Hälfte des Durchmessers eines Strahls aufweist, der 40 Pixel entlang beider Achsen beleuchtet hat. Wenn wegen irgendeines Grunds der Strahl elliptisch geworden ist, wird, als ein anderes Beispiel, die Anzahl von Pixeln der Abbildungseinrichtung 204, die entlang der X-Achse beleuchtet werden, sich von der Anzahl von Pixeln, die entlang der Y-Achse beleuchtet werden, unterscheiden.
Der Strahldurchmessersensor 124 kann auch verwendet werden, um das Intensitätsprofil der Laserpulse zu bestimmen, da jedes Pixel in dem Strahldurchmessersensor 124 einen Ausgang erzeugen kann, der die Intensität von Licht, das auf den Pixel einfällt, anzeigt. Durch Vergleichen von Pixelwerten von radial symmetrischen Punkten in dem Pixelfeld kann bestimmt werden, ob ein einfallender Laserpuls oder eine Reihe von Pulsen das gewünschte radial symmetrische Intensitätsprofil aufweist, oder ob die Impulse "heiße Flecken" von Werten außerhalb des Intensitätsbereichs entwickelt haben.
Der Ausgang des Strahldurchmessersensors 124 wird an die Computersteuereinheit 114 gekoppelt. Die Computersteuereinheit 114 ist wiederum mit der motorisierten Zoom-Linse 106 gekoppelt, die eine Steuerung für den Durchmesser des Laserstrahls B1 bereitstellt. Die Computersteuereinheit 114 ist in einer geeigneten Weise programmiert, um den Durchmesser des Laserstrahls, wie für eine bestimmte chirurgische Prozedur benötigt, zu verändern. Der Ausgang des Strahldurchmessersensors 124 als eine Funktion des Strahldurchmessers kann durch Standardkalibrierungstechniken festgestellt werden.
Diese Konfiguration stellt eine positive Rückkopplung des von der Lasereinheit 100 austretenden Strahldurchmessers bereit. Wenn der Strahldurchmessersensor 124 einen Strahl außerhalb des Bereichs (entweder des Durchmesser- oder Intensitätsprofils) erfasst, dann kann die Computersteuereinheit 114 einen geeigneten Vorgang vornehmen, einschließlich einer Aktivierung des Sicherheitsverschlusses 120.
Um die X-Y-Scanposition des Laserstrahls zu verifizieren, stellt das erfindungsgemäße System einen teilweise transmittierenden Strahlteilungsspiegel 126 bereit, der einen Teil der Strahlenergie R&sub1; an einen Strahlortsensor 128 reflektiert. Bezugnehmend auf die Fig. 3A umfasst der Strahlortsensor 128 vorzugsweise wenigstens eine sammelnde (konvexe) Linse 300 und eine zerstreuende (konkave) Linse 302, die als ein Verkleinerungsteleskop konfiguriert sind (d. h. die zwei Linsen weisen einen gemeinsamen Brennpunkt auf, wobei die Brennweite f&sub2; der Zerstreuungslinse 302 größer als die Brennweite f&sub1; der Sammellinse 300 ist, und sie weisen optische Mitten auf, die zu dem einfallenden Laserstrahl in dessen nicht abgelenkter Position ausgerichtet sind). Der einfallende Strahl R&sub1; tritt in die Sammellinse 300 ein und verlässt die Zerstreuungslinse 302. Eine derartige Konfiguration von Linsen wird ebenfalls den Scanwinkel des austretenden Strahls vergrößern, während sie den einfallenden Strahl verkleinert.
Der sich ergebende Strahl mit einem vergrößerten Scanwinkel wird auf einem Siliziumphotodetektor 304 gerichtet, der eine Spannungsablesung bezüglich des zweidimensionalen (X-Y) Orts eines Beleuchtungsflecks an der Detektoroberfläche bereitstellt. Derartigen Detektoren sind kommerziell von einer Vielzahl von Quellen erhältlich, einschließlich von United Detector Technologies, UDT Sensors, Hawthorne, California. Der Ausgang des Strahlortsensor 128 wird an die Computersteuereinheit 114 gekoppelt.
Eine Kalibrierung der Spannungsablesung, die von der nicht abgelenkten Position des einfallenden Strahls auf dem Detektor 304 erzeugt wird, wird den Ursprung OR des Laserstrahls in der XY-Scanebene anzeigen. Irgendeine Ablenkung des Strahls von dem Ursprung OR wird Spannungsablesungen erzeugen, die den Fleck auf der Oberfläche des Detektors 304, der von dem Laserstrahl beleuchtet wird, anzeigen. Diese Spannungsablesungen werden gegenüber dem angezeigten Ort des chirurgischen Strahls, wie von der Computersteuereinheit 114 eingestellt, kalibriert. Während eines Betriebs würde der Ausgang des Strahlortsensors 128 periodisch abgetastet werden (zum Beispiel ungefähr 1000 Mal pro Sekunde) und mit einer vorbereiteten Kalibrierungstabelle in der Computersteuereinheit 114 verglichen werden, um zu bestimmen, ob die tatsächliche Strahlposition mit der angezeigten Position übereinstimmt.
Diese Konfiguration stellt eine positive Rückkopplung über die Strahlposition, die von der Lasereinheit 100 ausgeht, bereit. Wenn der Strahlortsensor 128 einen positionsverschobenen Strahl erfasst, kann die Computersteuereinheit 114 einen geeigneten Vorgang vornehmen, einschließlich einer Aktivierung des Sicherheitsverschlusses 120.
Somit stellt die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Chirurgielaservorrichtung eine sichere und effektive Chirurgie durch kontinuierliches Überwachen von sämtlichen Aspekten des Zustands des chirurgischen Laserstrahls S. einschließlich der Strahlintensität, des Durchmessers und der X- Y-Scanposition, bereit.

AUGENVERFOLGUNGSSYSTEM

Wenn das erfindungsgemäße System verwendet wird, ist es wichtig, eine Augenbewegung in bezug auf den chirurgischen Laserstrahl S zu minimieren. Um das Auge relativ zu dem chirurgischen Laserstrahl S zu lokalisieren, wird deshalb ein herkömmlicher Saugring 400, wie in Fig. 4A gezeigt, verwendet, um das Auge zu immobilisieren. Derartige Einrichtungen sind kommerziell erhältlich, zum Beispiel von Steinway Instruments aus San Diego, Kalifornien. Derartige Saugringe werden ferner zum Beispiel in dem U.S.-Patent Nr. 4718418 von L'Esperance, Jr. beschrieben.
Ein Saugring 400 wird normalerweise an dem weißen (Sclera) Bereich des Auges angebracht und mit einem niedrigen Ansaugdruck verbunden, um den Ring 400 ausreichend an das Auge zu klemmen, aber nicht so stark, dass die Hornhaut verzerrt wird. Die Verwendung eines derartigen Rings 400 ist in dem technischen Gebiet altbekannt.
Trotz der Verwendung eines Saugrings 400 zum Immobilisieren eines Auges kann irgendeine Bewegung des Auges auftreten (möglicherweise durch eine Bewegung des Saugrings 400 selbst durch einen Chirurgen). Deshalb stellt die vorliegende Erfindung ein Augenverfolgungssystem 130 bereit, um eine Kompensation für eine relative Bewegung zwischen dem Auge und dem chirurgischen Laserstrahl S bereitzustellen. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird das Augenverfolgungssystem 130 in dem Pfad des chirurgischen Laserstrahls S. vorzugsweise in nächster Nähe zu einem Zielauge, angeordnet.
Bezugnehmend auf die Fig. 4A, 4B und 4C wird ein herkömmlicher Saugring 400 mit ausgeprägten Markierungen 402, 404, 406, auf der Rückseite des Rings, die auf das chirurgische Lasersystem hin gerichtet ist, versehen (siehe insbesondere Fig. 4B). Die Markierungen können durch Kreuzmarkierungen unterteilt sein oder nicht, für eine visuelle Referenz durch einen Chirurgen. In der bevorzugten Ausführungsform umfassen die Markierungen eine X-Achse 402, eine orthogonale Y-Achse 404, und eine radiale Achse 406. Die Markierungen sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie für ein Breitbandbeleuchtungslicht höchst reflektierend sind, und der Hintergrund des Saugrings 400 ist vorzugsweise durchgehend schwarz, um einen Kontrast zu verbessern und zusätzliche Reflektionen zu minimieren.
Das Augenverfolgungssystem 130 umfasst ein Paar von Steuerspiegeln 408, 410, die jeweils einen Reflektor, der auf einem Galvanometerscanner oder einer ähnlichen Betätigungsgliedeinrichtung angebracht ist, die von einem Computer steuerbar ist, umfassen und eine Drehsteuereinrichtung, die aus einem Schwalbenprisma 409 besteht, das mit seinen Drehachsen ausgerichtet zu dem chirurgischen Laserstrahl S angebracht ist (siehe Fig. 4C). Eine motorisierte Antriebseinheit 411 ist an einem Zahnrad- oder Glockenantrieb angebracht, der dafür ausgelegt ist, um die Drehung des Schwalbenprismas 409 zu steuern. Wie bekannt ist, wird eine Drehung eines Schwalbenprismas bewirken, dass ein austretender Strahl bezüglich eines einfallenden Strahls gedreht wird. Die Steuerspiegel 408, 410 sind mit ihren Drehachsen orthogonal zueinander angebracht und derart angeordnet, dass der chirurgische Laserstrahl S in das Augenverfolgungssystem 130 eintritt, durch das Schwalbenprisma 409 geht, von einem ersten Steuerspiegel 408 an den zweiten Steuerspiegel 410 und dann an eine Zielhornhaut abprallt. Die Steuerspiegel 408, 410 und das Schwalbenprisma 409 stellen deshalb eine Einrichtung zum "Vorspannen" des chirurgischen Laserstrahls S. um eine Kompensation für eine Bewegung des Auges relativ zu dem chirurgischen Laserstrahl S bereitzustellen, bereit.
Eine Steuerung der Steuerspiegel 408, 410 und des Schwalbenprismas 409 wird bereitgestellt, indem das Bild der beleuchteten Markierungen 402, 404, 406 auf dem Saugring 400 zurück auf den optischen Pfad des chirurgischen Laserstrahls S an einen teilweise transmittierenden Strahlteilungsspiegel 412 reflektiert wird, der das reflektierte Bild auf einen Verfolgungssensor 414 (andere Elemente, wie eine Fokussierungsoptik, können in dem Verfolgungssensor 414 enthalten sein) richtet. In der bevorzugten Ausführungsform umfasst der Verfolgungssensor 414 drei Linearfeldsensoren 416, 418, 420. Jeder lineare Feldsensor 416, 418, 420 entspricht einer der Markierungen 402, 404, 406 auf dem Saugring 400 und wird an die entsprechende Markierung orthogonal orientiert. In der bevorzugten Ausführungsform kann jeder Linearfeldsensor ein lineares Reticon mit ungefähr 1024 oder einer größeren Anzahl von Erfassungselementen pro Inch sein. Derartige lineare Reticons sind kommerziell erhältlich, beispielsweise von EG&G, Princeton, NJ.
Wegen der orthogonalen Orientierung jeder Markierung 402, 404, 406 in bezug auf einen entsprechenden Linearfeldsensor 416, 418, 420, wird irgendeine Bewegung des Saugrings 400 zu einer relativen Verschiebung des reflektierten Bilds von einer oder mehreren der Markierungen 402, 404, 406 in bezug auf den entsprechenden Linearfeldsensor 416, 418, 420 führen. Eine derartige Bewegung kann leicht durch Vergleichen einer gespeicherten anfänglichen Position jeder Markierung 402, 404, 406 mit der Position jeder Markierung, die durch periodisches Scannen des Ausgangs jedes Linearfeldsensors 416, 418, 420 bestimmt wird, erfasst werden. Wegen der relativen Orientierungen der Markierungen 402, 404, 406, können translatorische Bewegungen des Saugrings 400 in den X- und Y-Richtungen, sowie Drehbewegungen, erfasst werden. Der Ausgang des Verfolgungssensors 414 als eine Funktion der Positionen der reflektierten Markierungen 402, 404, 406 kann durch Standardkalibrierungstechniken festgestellt werden.
Das Augenverfolgungssystem 130 kann mit seinem eigenen Rückkopplungssteuersystem versehen sein, um die Positionen der Steuerspiegel 408, 410 und des Schwalbenprismas 409 einzustellen, um eine Kompensation für eine erfasste relative Bewegung des Auges in bezug auf den chirurgischen Laserstrahl S bereitzustellen. Alternativ kann das Augenverfolgungssystem 130 mit der Computersteuereinheit 114 gekoppelt sein. Eine Steuerung des Augenverfolgungssystem 130 durch die Computersteuereinheit 114 wird bevorzugt, da die Computersteuereinheit 114 die Sicherheitsfunktionen des erfindungsgemäßen Systems (z. B. des Sicherheitsverschlusses 120) aktivieren kann, wenn das Zielauge mit dem chirurgischen Laserstrahl S nicht richtig ausgerichtet ist oder ein Ausfall in dem Augenverfolgungssystem 130 auftritt.
In jedem Fall würde der Ausgang des Verfolgungssensors 414 überwacht werden und die Positionen der Steuerspiegel 408, 410 und des Schwalbenprismas 409 entsprechend eingestellt werden. Beim Kompensieren der relativen Augenbewegung wird bevorzugt, zunächst die reflektierte Bildposition der Markierungen 402, 404, 406, die die größte Abweichung aufweisen, zu korrigieren.
Das erfindungsgemäße Augenverfolgungssystem 130 stellt somit eine Einrichtung zum Verbessern der genauen Platzierung von Laserpulsen auf der Hornhaut bereit. Durch Verwendung von ausgeprägten Markierungen 402, 404, 406 auf dem Saugring 400 stellt die Erfindung eine genauere Erfassung der relativen Bewegung des Auges, im Vergleich mit Systemen, die einen natürlichen Anzeiger verwenden, wie die Pupille oder die Sclera des Auges (was in jedem Fall eine Drehbewegung nicht anzeigen könnte), bereit.

VERFAHREN ZUM AUFBRINGEN VON LASERPULSEN

Ein anderes Problem, welches von der vorliegenden Erfindung angesprochen und gelöst wird, ist die richtige Aufbringung der Laserstrahlenergie auf der Hornhaut, um Gewebe auf irgendeine gewünschte Tiefe abzutragen, während eine optische glatte Hornhautoberfläche nach der Laserchirurgie zurückgelassen wird. In dem Stand der Technik ist es bekannt gewesen, einen Laserstrahl in einem Rasterscan- oder kreisförmigem oder Spiralscan-Muster über die Fläche der Hornhaut anzubringen, wo Gewebe entfernt werden soll (siehe zum Beispiel die Fig. 3 und 4 des U.S.-Patents Nr. 4718418 von L'Esperance, Jr.). Ein Problem mit derartigen Mustern, wenn sie mit herkömmlichen Lasersystemen verwendet werden, besteht darin, dass derartige Systeme Gewebe auf eine Tiefe von ungefähr 0,3 bis 15 Mikron oder mehr pro Laserpuls abtragen. Eine typische Prozedur für eine Laserätzung der Hornhaut muss von ungefähr 0,2 Mikron oder weniger, bis zu ungefähr 50 Mikron, des Gewebes entfernen. Da es im wesentlichen unmöglich ist, jeden einzelnen Puls genau zu platzieren, so dass er perfekt angrenzend zu einem benachbarten Impuls ist, werden sich Stege oder Ausnehmungen in der Hornhautoberfläche mit der gleichen Größe aus dem nicht perfekten Muster der Aufbringung von Laserpulsen ergeben. Demzufolge wird eine postoperative visuelle Schärfe wegen einer Lichtstreuung von der Inhomogenität des Gewebes an der unebenen Grenzfläche verringert.
Ein anderes Problem des Standes der Technik, insbesondere mit Excimer-Lasern, besteht darin, dass die verwendeten Strahlintensitäten hauptsächlich ein Intensitätsprofil wie ein "oberer Hut" des in Fig. 6A gezeigten Profils aufwiesen. Ein derartiges Intensitätsprofil wird im wesentlichen zu einem Spiegelbild-Abtragungsprofil führen, wie in Fig. 6b gezeigt.
Versuche sind durchgeführt worden, um die scharfen Kanten zu vermeiden, die von dem Intensitätsprofil mit dem "oberen Hut" verursacht werden, indem anstelle eines radialen Profils mit einem Gaußschen Intensitätsprofil (Intensität = e-2(r/ω)², wobei ω die Strahlbreite ist (Kurve 600 in Fig. 6C) oder ein Super-Gaußsches Intensitätsprofil, welches eine geringfügig modifizierte Gaußsche Kurve mit einem geringeren Gradienten in der Mitte (Kurve 602 in Fig. 6C) ist, angewendet wird, was zu entsprechend ausgeformten Gewebeabtragungsprofilen führt, wie in Fig. 6D gezeigt.
Um das Problem von Stegen und Ausnehmungen, die Schleier verursachen, zu beseitigen, hat der Stand der Technik versucht, Gaußsche oder super-Gaußsche Strahlintensitätsprofile zu überlappen, um ein glatteres durchschnittliches Ätzprofil zu erzeugen. Wie zum Beispiel in Fig. 6E gezeigt, führen überlappte Gaußsche Strahlintensitäten zu einer durchschnittlichen Strahlintensität, die äquivalent zu derjenigen ist, die in Fig. 6F gezeigt ist, was zu einem entsprechenden Spiegelbild-Abtragungsätzprofil führt, wie in Fig. 6 G gezeigt.
Ein Problem mit diesem Ansatz ist, dass während einer Fotoabtragung verdampftes Gewebematerial von jeder Gewebestelle, die von einem Laserpuls abgetragen wird, ausgestoßen wird (das ausgestoßene Gewebe ist als "Plume" bekannt). Es ist bekannt, dass derartiger ausgestoßener Abfall Photonen in einem ankommenden Laserstrahl streuen können (dies ist als "Abschattung" bekannt). Wie erwartet werden sollte, verringert dieses Phänomen die Intensität des Strahls. Wenn Laserpulse wie voranstehend beschrieben überlappt werden, wird somit ein früherer benachbarter Impuls ein Plume erzeugen, der teilweise den ankommenden Laserstrahl von einem nachfolgenden benachbarten Laserpuls abschattet oder verdeckt, was eine Ungleichförmigkeit der Gewebeabtragung und somit Unregelmäßigkeiten auf der Hornhautoberfläche verursacht.
Ein zusätzliches Problem von herkömmlichen überlappten Laseraufbringungsmustern besteht darin, dass derartige Muster in einer derartigen Weise wiederholt werden, dass Stege und Ausnehmungen mit signifikanter Größe noch zwischen Pulszentren gebildet werden.
Die Lösung der vorliegenden Erfindung für die Probleme der herkömmlichen Laseraufbringungsmuster ist die Verwendung eines Gaußschen, oder vorzugsweise eines super-Gaußschen, Intensitätsprofils für jeden Laserpuls und die Aufbringung der Pulse in einer Vielzahl von Schichten, wobei jede Schicht ein regelmäßiges geometrisches Muster aufweist. Der Ursprung jeder Schicht des Musters wird um einen spezifischen Abstand in entweder der X oder Y-Dimension von jeder vorhergehenden oder angrenzend herunterliegenden Schicht versetzt. Das erfindungsgemäße Muster vermeidet die Probleme eines Plume, indem die Laserpulse von jeder einzelnen Schicht nicht überlappt werden, und vermeidet die Probleme der herkömmlichen Bildung von Stegen und Ausnehmungen, indem Laserenergie über der Oberfläche, die geätzt werden soll, gleichförmig aufgebracht wird. Wegen der geringen oder seichten Ätztiefe jedes Laserpulses der vorliegenden Erfindung (ungefähr 0,2 Mikron oder weniger), kann ein Ätzen im wesentlichen an irgendeinem Punkt in dem Abtragungsprozess gestoppt werden, während eine optisch glatte Hornhautoberfläche zurückgelassen wird.
Bezugnehmend auf Fig. 7A ist ein Teil eines Scanmusters einer ersten Ebene gezeigt, umfassend eine einzelne Ätzschicht. In der bevorzugten Ausführungsform erzeugt jeder Laserpuls ein Ätzprofil mit einem ungefähr kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius r, der typischer Weise im Bereich von ungefähr 0.02 mm bis ungefähr 0.5 mm liegen kann. Das Scanmuster, das in die Lasereinheit 100 programmiert ist, gibt ein Muster von Pulsen in einem hexagonal-gepackten Feld des in Fig. 7A gezeigten Typs vor. Das heißt, die Mitte A jedes Ätzkreises 700 mit einem kreisförmigen Querschnitt des Radius r wird um einen Abstand B, gleich zu 2r, von der Mitte A jedes anderen Ätzkreises 700 beabstandet. Wie altbekannt ist, ist das Muster, welches sich aus diesem einfachen Kriterium ergibt, ein hexagonalgepacktes Feld von Kreisen (die gepunkteten Hexagons, die in Fig. 7A gezeigt sind, sind für den Zweck einer Illustration des Packungsmusters vorgesehen und bilden nicht irgendeinen Teil des Ätzprofils).
Während bevorzugt wird, dass die Ätzkreise nicht-überlappend und angrenzend sind, umfasst die Erfindung eine geringfügige Überlappung und/oder Beabstandung von Ätzkreisen als Folge der Toleranzgrenzen auf die Positionierung von Ätzkreisen mit einer praktischen Laservorrichtung.
Ein Vorteil des hexagonal-gepackten Felds von Ätzkreisen ist, dass das Muster einfach in das Scansteuersystem der Lasereinheit 100 als eine modifizierte Rasterscannung programmiert werden kann. Wenn ein Ätzkreis 702 mit einer Mitte A' als der Ursprung für das anfängliche Muster der ersten Ebene angesehen wird, muss die Lasereinheit 100 den Laserstrahl nur in der X-Richtung um einen Abstand D zu der Mitte A für den nächsten Ätzkreis 704 bewegen. Zusätzliche Ätzkreise werden in der gleichen Weise für die erste Zeile erzeugt, bis die gegenüberliegende Kante der Fläche, die abgetragen werden soll, erreicht wird. Eine derartige Genauigkeit einer Platzierung von Ätzkreisen wird durch die höchst genaue X-Y- Positionierungsfähigkeit der Lasereinheit 100 ermöglicht, insbesondere, wenn sie im Zusammenhang mit dem voranstehend beschriebenen Augenverfolgungssystem verwendet wird.
Nachdem die erste Zeile von Ätzkreisen in der gleichen Weise fertiggestellt ist, wird der Laserstrahl in die Y-Richtung nach unten um einen Abstand von ungefähr 0,866D (eine Hälfte der Quadratwurzel von 3 Mal D, was den vertikalen Abstand zwischen Mitten von benachbarten Zeilen darstellt) und nach links oder rechts entlang der X-Richtung um 1/2 D (was den horizontalen Abstand zwischen Mitten von benachbarten Zeilen darstellt) bewegt. Der Strahl wird dann entweder rückwärts gescannt oder an die ursprüngliche "Kante" des Scanvorgangs zurückgeführt und vorwärts in der gleichen Weise wie bei der ersten Zeile gescannt. Jede nachfolgende Zeile wird in der gleichen Weise erzeugt, bis die untere Kante der abzutragenden Fläche erreicht wird, wodurch die Schicht der ersten Ebene fertiggestellt wird.
Obwohl eine regelmäßige Reihenfolge einer Ätzkreisaufbringung 6k eine einfachere Programmierung der Lasereinheit 100 bevorzugt wird, erlaubt die genaue X-Y-Positionierungsfähigkeit der Lasereinheit 100, dass die Ätzkreise 6k eine bestimmte Schicht in irgendeiner Reihenfolge aufgebracht werden, einschließlich einer zufälligen.
Eine Charakteristik des Musters der ersten Ebene, das in Fig. 7A gezeigt ist, ist, dass keine kreisförmige Ätzung im wesentlichen mit irgendeiner anderen kreisförmigen Ätzung überlappt.
Demzufolge wird das Problem von Plume minimiert. Während das Ablegen nur des gezeigten Musters der ersten Ebene zu Stegen in den Spalten zwischen Ätzkreisen führen wird, wegen der verwendeten geringen Ätztiefe, wird der Spitze-zu-Durchabstand von irgendeinem Steggebiet R zu der Mitte A jedes Ätzkreises 700 höchstens ungefähr der gleiche wie die Ätztiefe jeder einzelnen Ätzung (ungefähr 0,2 Mikron oder weniger) sein.
Nachdem das anfängliche Muster der ersten Ebene, das in Fig. 7A gezeigt ist, abgelegt worden ist, legt das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise ein Muster einer zweiten Ebene ab, das drei Ätzschichten umfasst. Jede Ätzschicht der zweiten Ebene ist eine exakte Nachbildung der einzelnen Ätzschicht des Musters der ersten Ebene (d. h. ein hexagonal-verpacktes Feld von Netzkreisen des Radius r). Jedoch ist der Ursprung von jeder der drei Schichten in Bezug zueinander und zu der Schicht der ersten Ebene einzigartig. Um Stege und Ausnehmungen in der geätzten Hornhaut zu minimieren, wird jede Schicht des Musters der zweiten Ebene von der einzelnen Schicht des Musters der ersten Ebene versetzt, um die Verteilung der Laserenergie über die Hornhaut auszugleichen. Dieses Konzept einer Versetzung von nachfolgenden Schichten in einer exakten Beziehung in Bezug zu einer anfänglichen Schicht ist anders als im Stand der Technik, der typischer Weise den Ätzprozess wiederholt, indem der Laserstrahl über die Abtragungszone ohne eine Referenz zu dem exakten Ort von jedem der Laserpulse geschwenkt wird.
Insbesondere wird der Ursprung der ersten Schicht der zweiten Ebene an einem Punkt B1 (oder einem äquivalenten Punkt; siehe nachstehend) der Fig. 7A eingestellt, der eine Hälfte des Abstands D zwischen dem Ursprung A' jedes Ätzkreises 702 der ersten Ebene und der Mitte des benachbarten Ätzkreises 704 ist. Unter Verwendung des Punkts B1 als einen Ursprung wird die Lasereinheit 100 programmiert, um ein gesamtes Feld von Ätzkreisen, die die abzutragende Fläche abdecken, unter Verwendung der gleichen Regeln zum Ändern eines Strahlorts, wie voranstehend für die Ätzschicht der ersten Ebene beschrieben, abzulegen.
In ähnlicher Weise wird der Ursprung der zweiten Schicht der zweiten Ebene auf einen Punkt B2 (oder einen äquivalenten Punkt; siehe nachstehend) der Fig. 7A eingestellt, der eine Hälfte des Abstands D zwischen dem Ursprung A' des Ätzkreises 702 der ersten Ebene und der Mitte des benachbarten Ätzkreises 706 in der nächsten Zeile ist. Unter Verwendung des Punkts B2 als einen Ursprung wird die Lasereinheit 100 programmiert, um ein gesamtes Feld von Ätzkreisen, die die abzutragende Fläche abdecken, unter Verwendung der gleichen Regel zum Ändern eines Strahlorts, wie voranstehend für die Ätzschicht der ersten Ebene beschrieben, abzulegen.
Schließlich wird der Ursprung der dritten Schicht der zweiten Ebene an einem Punkt B3 (oder einem äquivalenten Punkt; siehe nachstehend) der Fig. 7A eingestellt, der eine Hälfte des Abstands D zwischen der Mitte jedes Ätzkreises 704 und der Mitte des benachbarten Ätzkreises 706 in der nächsten Zeile ist. Unter Verwendung des Punkts B3 als einen Ursprung wird die Lasereinheit 100 programmiert, um ein gesamtes Feld von Ätzkreisen, die die abzutragende Fläche abdecken, unter Verwendung der gleichen Regeln zum Ändern eines Strahlorts, wie voranstehend fur die Ätzschicht der ersten Ebene beschrieben, abzulegen.
Das sich ergebende Ätzmuster für die zweite Ebene wird dem in Fig. 7B gezeigten Muster ähneln, das die erste Ebene bei A' zentriert als dick ausgezogene Kreise 715, die erste Schicht zentriert an einem Punkt B1 als ausgezogene Kreise 716, die zweite Schicht zentriert an dem Punkt B2 als gepunktete Kreise 717, und die dritte Schicht zentriert an dem Punkt B3 als gestrichelte Linien 718 zeigt. Wenn gewünscht, können Ätzmuster der Ebene Eins und Zwei nach Anforderung wiederholt werden, um die gewünschte Abtragungsmenge zu erreichen.
Obwohl die zweite Ebene drei Schichten umfasst, müssen nicht alle drei Schichten fertiggestellt werden. Ferner kann die erste Schicht der zweiten Ebene mit ihrem Ursprung an irgendeinem der drei Punkte B1, B2 oder B3 gestartet werden, da all diese Punkte geometrisch äquivalent sind. In einem allgemeineren Sinne existieren Äquivalente von diesen drei Versatzpunkten überall in dem Gitter von Mitten A, die von der anfänglichen Schicht der ersten Ebene definiert werden. Somit können irgendwelche äquivalente Versatzpunkte in der zweiten Ebene als der Ursprung von einer der drei Schichten, die die zweite Ebene umfassen, gewählt werden. Das gesamte Ätzprofil (welches wie nachstehend beschrieben bestimmt wird) bestimmt, welcher der äquivalenten Versatzpunkte der zweiten Ebene gewählt werden, um eine maximale Abtragung, wenn in der Oberfläche, die gerade geätzt wird, benötigt, zu erreichen, und ob der gewünschte abschließende Glättegrad eine Fertigstellung von jeder der Schichten der zweiten Ebene erfordert. Um jedoch eine Ebenheit für die Ätzung sicherzustellen, ist es allgemein wünschenswert, sämtliche Schichten der zweiten Ebene vor Beginn von zusätzlichen Ebenen einer Ätzung fertig zu stellen.
Als eine alternative Vorgehensweise zum Modellieren der ersten und zweiten Ebenen können diese als eine einzelne Ätzmuster-"Einheit" angesehen werden, die vier Ätzschichten umfasst, die angeordnet sind, um sich in der in Fig. 7B gezeigten Weise zu überlappen.
Wenn gewünscht, könnten weitere Ebenen von Ätzmustern in einer ähnlichen Weise durch Wiederholen der Ebenen 1 und 2 erzeugt werden, unter Verwendung von neuen Ursprüngen. Eine Charakteristik der Geometrie eines hexagonalen Packungsfelds führt selbst zu der Erzeugung von sich wiederholenden regelmäßigen Mustern. Zum Beispiel umfassen bezugnehmend auf Fig. 7A die Ursprünge B1, B2 und B3 für Ätzschichten der zweiten Ebene die Mittelpunkte eines Dreiecks T1, das die Mitten von Ätzkreisen 702, 704 und 706 verbindet. Ein zweites Dreieck T2 kann durch Verbinden der Mitten von Ätzkreisen 704, 706 und 708 erzeugt werden (mit gestrichelten Linien in Fig. 7A gezeigt). Diese zwei Dreiecke umfassen eine symmetrische Einheit, die überall in dem Muster von Mitten A, die von dem anfänglichen Muster der ersten Ebene definiert werden, wiederholt wird. Durch Verbinden von benachbarten Mittelpunkten kann ferner jedes der Dreiecke T1 und T2 in vier kleinere Dreiecke mit kleiner Größe unterteilt werden, wie in Fig. 7A gezeigt. Die Mittelpunkte jedes Unterdreiecks in einer T1-T2- Einheit, die nicht gemeinsam mit einer ähnlichen Einheit des T1-T2-Typs sind, umfassen 12 Versatzpunkte C1-C12, die Äquivalente überall in dem Gitter von Mitten A, das durch die anfängliche Schicht der ersten Ebene definiert wird, aufweisen.
Jeder von diesen äquivalenten Versatzpunkten C1-C12 kann als ein Ursprung für einen Satz von Ätzmustern der Ebene Eins und der Ebene Zwei verwendet werden. Das heißt, wenn man den Punkt C11 als ein Beispiel nimmt, kann C11 als die Mitte eines Musters der Ebene Eins gewählt werden. Das Muster der Ebene 1, das bei C11 zentriert ist, definiert dann ein neues Gitter für ein entsprechendes Muster der Ebene 2. In ähnlicher Weise könnte der Punkt C2 dann als die Mitte eines anderen Musters der Ebene Eins gewählt werden. Das Muster der Ebene Eins, das bei C2 zentriert ist, definiert dann ein neues Gitter für ein entsprechendes Muster der Ebene Zwei.
Wenn derartige äquivalente Versatzpunkte der dritten Ebene definiert sind, kann irgendeiner von ihnen als der Ursprung von einer der 48 Schichten (12 Ebene-Eins/Ebene-Zwei-Sätze), die die dritte Ebene bilden, gewählt werden. Die Gesamtätztiefe (die wie nachstehend beschrieben bestimmt wird) bestimmt, welche der äquivalenten Versatzpunkte der dritten Ebene gewählt werden, um eine maximale Abtragung, wo benötigt, in der Oberfläche, die gerade geätzt wird, zu erreichen, und ob der gewünschte abschließende Glättegrad eine Fertigstellung jeder der Schichten der dritten Ebene erfordert. Um eine Ebenheit der Ätzung jedoch sicherzustellen, ist es im allgemeinen wünschenswert, sämtliche Schichten der dritten Ebene fertig zu stellen, bevor zusätzliche Ebenen der Ätzung beginnen.
Der Prozess zum Definieren von nachfolgenden Ebenen kann nach Anforderung ausgeweitet werden, indem äquivalente Versatzpunkte auf Grundlage von sich wiederholenden geometrischen Einheiten definiert werden, die durch das Gitter der Mitten A, definiert von der anfänglichen Schicht der ersten Ebene, bestimmt werden. Die allgemeine Regel besteht darin, eine voranstehende Ebene in zusätzliche Dreiecke auf Grundlage des Gitters, das von der anfänglichen Schicht der ersten Ebene definiert wird, aufzuteilen. Dies wird dadurch durchgeführt, dass drei benachbarte Ursprünge zum Bilden von derartigen Dreiecken verbunden werden und die Mittelpunkte von derartigen Dreiecken als neue Ursprünge verwendet werden.
Das Ausmaß der Verbesserung für die Oberflächenglattheit durch die genaue Positionierung von mehreren Schichten eines Ätzprofils wird folgendermaßen illustriert: Mit einer Verwendung eines Gaußschen Laserstrahlprofils als ein Beispiel und einer Einstellung der Laserenergiedichte an der Spitze des Laserpulses, um viermal die Abtragungsschwelle zu sein, kann die Oberflächenglätte in bezug auf die maximale Ätztiefe eines einzelnen Laserpulses charakterisiert werden. Nach Anbringen des Ätzmusters der ersten Ebene, wie voranstehend beschrieben, unter Verwendung eines Gaußschen Intensitätsprofils, wird zum Beispiel der maximale Spitze-zu-Durchabstand der Ätzmuster irgendwo innerhalb der Grenzen der geätzten Fläche natürlich 100% des maximalen Spitze-zu-Durchabstands eines einzelnen Ätzkreises sein. Durch Anwenden von lediglich zwei Ebenen von Ätzmustern, wie voranstehend beschrieben, unter Verwendung eines Gaußschen Intensitätsprofils wird der maximale Spitze-zu-Durchabstand der überlappten Ätzmuster irgendwo innerhalb der Grenzen der geätzten Fläche maximal ungefähr 53% des anfänglichen Musters der ersten Ebene alleine sein. Durch Anbringen von drei Ebenen von Ätzmustern unter Verwendung eines Gaußschen Intensitätsprofils wird der maximale Spitze-zu-Durchabstand der überlappten Ätzmuster irgendwo innerhalb der Grenzen der geätzten Fläche maximal ungefähr 20% des anfänglichen Musters der ersten Ebene alleine sein. Da der Spitze-zu-Durchabstand für das anfängliche Muster der ersten Ebene ungefähr 0,2 Mikron oder weniger, und vorzugsweise ungefähr 0,05 Mikron oder weniger ist, kann sogar das Muster der zweiten Ebene ausreichend sein, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.
Diese Analyse ist in Fig. 7D grafisch dargestellt, die einen Graph von Kurven zeigt, die die kumulativen maximale Spitze-zu-Durchabstände der Ätzmuster der Ebene Eins, Ebene Zwei und Ebene Drei in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigen. Die Y-Achse jeder Kurve zeigt die kumulative Ätztiefe in Einheiten der maximalen Ätztiefe eines einzelnen Laserpulses an. Die X-Achse zeigt jede Tiefe als eine Funktion des Abstands von einer Ätzkreismitte heraus entlang einer der drei Symmetrieachsen für ein hexagonales Feld. Fig. 7E zeigt die Messachsen, die zum Berechnen der maximale Spitze-zu-Durchabstände der Ebene Zwei und Ebene Drei der Fig. 7D verwendet werden. Die Notation für die Endpunkte der X-Achse der Fig. 7D entspricht der Notation für die Messpunkte, die in Fig. 7E gezeigt sind.
Die regelmäßigen Charakteristiken des erfindungsgemäßen Aufbringungssystems sind nützlich, wenn die Hornhaut in der Weise einer "abgestuften Pyramide" (in Einheiten der Laserpulszählung) geätzt wird, wobei weniger Ätzkreise in Richtung auf den Umfang der Hornhaut aufgebracht und mehr Ätzkreise in Richtung auf die Mitte hin aufgebracht werden. Wie in Fig. 7C gezeigt, ähnelt das sich ergebende gesamte Ätzmuster typischer Weise konzentrischen Kreisen (obwohl andere Formen möglich sind). Wenn von der äußeren Kante zu der Mitte geätzt wird, wird die gesamte Hornhaut auf den Durchmesser eines Rings 720 unter Verwendung der voranstehend diskutierten Ätzmuster geätzt. Unter Verwendung des ursprünglichen Gitters von Mitten A von der allerersten Ebene wird ein neuer Ursprung an einem äquivalenten Versatzpunkt innerhalb des Rings 722 gewählt, wenn das Gewebe in der Menge 720 auf dem gewünschten Grad geätzt worden ist. Eine Ätzung wird über die gesamte Hornhaut, die in dem Durchmesser des Rings 722 eingeschlossen ist, fortgesetzt. Wiederum wird unter Verwendung des ursprünglichen Gitters von Mitten A von der allerersten Ebene ein neuer Ursprung an einem äquivalenten Versatzpunkt innerhalb des Rings 724 gewählt, wenn das Gewebe in dem Ring 722 auf dem gewünschten Grad geätzt worden ist. Die Ätzung wird über die gesamte Hornhaut, die in dem Durchmesser des Rings 724 eingeschlossen ist, fortgesetzt. Der Prozess wird in einer ähnlichen Weise fortgesetzt, bis der Mittenring 726 auf die richtige Tiefe geätzt ist (es sei darauf hingewiesen, dass der Durchmesser der Laserpulse in den inneren Ringen kleiner gemacht werden kann, um ein feineres Ätzgitter bereitzustellen, wobei in diesem Fall ein neues anfängliches Muster der ersten Ebene, das ein derartiges Gitter definiert, abgelegt werden und beim Bestimmen von äquivalenten Versatzpunkten für nachfolgende Ebenen verwendet werden kann).
Wie aus einer Betrachtung der Fig. 7C deutlich sein dürfte, könnte der Ätzprozess in der umgekehrten Reihenfolge ausgeführt werden, wobei der Mittenring 726 zuerst geätzt wird, dann die Fläche, die in dem Durchmesser des Rings 724 eingeschlossen ist, dann die Fläche, die innerhalb des Durchmessers des Rings 722 eingeschlossen ist, und schließlich die Fläche, die innerhalb des Durchmessers des Rings 720 eingeschlossen ist.

WELLENLÄNGEN-WANDLEREINRICHTUNG

Wie voranstehend beschrieben, umfasst das erfindungsgemäße System wenigstens einen Wellenlängen-Wandler, um die Wellenlänge des anfänglichen Laserstrahls B1 auf die gewünschte Wellenlänge in dem Bereich von ungefähr 198-215 nm zu verändern.
Ein erstes Beispiel eines Wellenlängen-Wandlers ist in Fig. 5A gezeigt. In Fig. 5A ist der anfängliche Laserstrahl B1, der von der Lasereinheit 100 ausgeht, so gezeigt, dass er bei einem anfänglichen Winkel Θ&sub1; von seiner zentralen Position 500 gescannt worden ist, die als die Mittenposition des Gesamtscanwinkels definiert wird, der für eine beabsichtigte chirurgische Operation abgedeckt werden soll. Allgemein wird der Laserstrahl in zwei Richtungen gescannt und somit werden zwei Winkelpositionen benötigt, um jede einzigartige Strahlposition zu spezifizieren. In den bevorzugten Ausführungsformen, die in den Fig. 2A und 2B gezeigt sind, ist das optische System sphärisch symmetrisch. Nur einer der einfallenden Scanwinkel wird in der folgenden Diskussion somit ohne Verlust der Verallgemeinerung dargestellt werden.
In Fig. 5A befindet sich eine konvexe Linse A in einem Abstand f(A), der Brennweite der Linse A von dem Verschwenkungspunkt des gescannten Laserstrahls B1. In der dargestellten Ausführungsform ist der Verschwenkungspunkt innerhalb der Scanner-Verstärkereinheit 104, an einer äquivalenten Position des Scanspiegels in der Nähe des Austrittsdielektrikumspiegels, wie nachstehend beschrieben wird. Ein nichtlinearer optischer Kristall 502 wird so gewählt, dass Phasenanpassungswinkel mit einer geeigneten Kristallorientierung existieren, so dass eine Grundlaserwellenlänge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 790-860 nm in ihre zweite Harmonische bei einer Wellenlänge in dem Bereich von ungefähr 395-430 nm umgewandelt werden kann. Ein möglicher derartiger Kristall ist Beta-Ba&sub2;BO&sub4; (Beta- Bariumborat). Der Kristall weist einen Phasenanpassungswinkel von ungefähr 26-30º für einen voranstehend angegebenen Wellenbereich, in Phasenanpassungsbedingungen des Typs I, auf. Der nichtlineare Kristall 502 wird in einem Abstand f(A) von der Linse A positioniert. Der einfallende Laserstrahl B1 wird an dem Kristall 502 mit einer Wahl einer langen Brennweite für die Linse A fokussiert. Eine andere konvexe Linse B, die sich an der Brennweite f(B) der Linse B von dem Kristall 502 befindet, sammelt den Strahl erneut in einen austretenden Laserstrahl B2. Vorzugsweise sind beiden Linsen A und B für eine maximale Transmission bei Laserwellenlängen, für die jeder überträgt, beschichtet.
Die Dimensionen des nichtlinearen Kristalls 502 werden so gewählt, dass das Oberflächengebiet, wo der einfallende Laserstrahl B1 in das Kristall 502 eintritt, ausreichend groß ist, dass der Laserstrahl an den Extremitäten seiner Scanwinkel nicht abgeschnitten werden wird. Die Länge 1 des Kristalls 502 ist derart, dass der Umwandlungswirkungsgrad optimiert werden soll, in Anbetracht eines Weglaufens zwischen dem Grundstrahl und dem Strahl der zweiten Harmonischen, der Gruppengeschwindigkeitsdispersion und der spektralen Bandbreite für die Laserpulse kurzer Dauer. Die Eintrittsoberfläche des nichtlinearen Kristalls 502 wird für eine maximale Transmission bei den Grundwellenlängen beschichtet und die Austrittsoberfläche wird für eine maximale Transmission der Wellenlängen der zweiten Harmonischen beschichtet.
Die optische Anordnung der vorliegenden Erfindung Ausführungsform des Wellenlängen- Wandlers bietet mehrere zusätzliche Vorteile: Der Scanwinkel Θ&sub1; des einfallenden Laserstrahls B1 wird durch Wählen der geeigneten Brennweite für die Linse B vergrößert oder verkleinert. Wenn f(B) kleiner als f(A) ist, wird der Strahlscanwinkel Θ&sub2; in Fig. 5A um einen Faktor f(A)/f(B) vergrößert. Wenn andererseits f(B) größer als f(A) ist, wird der Strahlscanwinkel Θ&sub2; um einen Faktor von f(A)/f(B) verkleinert.
Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass der Laserstrahl, der unter einem Winkel Θ&sub1; von der zentralen Position 500 liegt, parallel zu der zentralen Position 500 wird, nachdem er durch die Linse A läuft. Deshalb stellt die Linse A zwei Verbesserungen in dem harmonischen Umwandlungsprozess bereit: Die Laserphotonendichte an dem nichtlinearen Kristall 502 wird als Folge der kleineren Strahlfläche erhöht und die Laserstrahlorientierung, die auf den nichtlinearen Kristall 502 fällt, wird bei allen Scanwinkeln aufrechterhalten, wodurch die Phasenanpassungsbedingungen des Strahls, während er gerade gescannt wird, aufrechterhalten werden.
Ein anderer Vorteil der in Fig. 5A gezeigten Ausführungsform fuhrt zu der Änderung des Orts des einfallenden Laserstrahls B1 durch den nichtlinearen Kristall 502, wenn der Strahl gescannt wird. Innerhalb des nichtlinearen Kristalls 502 wird eine kleine Menge des Laserstrahls absorbiert, was zu einem thermischen Gradienten über den Strahlquerschnitt führt. Diese Temperaturveränderung an einem unterschiedlichen Abschnitt des einfallenden Strahls B1 verschlechtert die Phasenanpassungsbedingungen und stellt eine Begrenzung für den Umwandlungs-Wirkungsgrad des Prozesses der harmonischen Erzeugung dar. Durch Bewegen des Strahls über eine Fläche während der Abtastung wird die thermische Energie effektiv über dieser Fläche verteilt und die durchschnittliche Leistungsbelastung in dem Kristall 502 wird effektiv verringert. Wenn die Fläche ausreichend groß ist, werden die Laserpulse nichtüberlappend. Eine Verringerung einer Pulsüberlappung fuhrt auch zu einer verbesserten Kristallbeschädigungsschwelle. Für einen Laserstrahl mit einer hohen Wiederholungsimpulsrate, wenn der Laserstrahl stationär ist, wie in dem Stand der Technik, gibt es eine Zeitverzögerungsanforderung, so dass erlaubt wird, dass sich der Effekt eines Laserpulses durch einen nichtlinearen Kristall verteilt, bevor der nächste Laserpuls ankommt. Diese Anforderung legt eine obere Grenze für die Wiederholungsrate auf ungefähr 10.000 Pulse pro Sekunde fest. Die vorliegende Erfindung beseitigt die obigen Beschränkungen des Standes der Technik und stellt ein verbessertes Verfahren für eine Laserwellenlängen-Umwandlung bereit, um einen höheren Umwandlungs-Wirkungsgrad und eine höhere Kristallbeschädigungsschwelle zu erreichen, indem der Laserstrahl über den nichtlinearen Kristall 502 gescannt wird. Mit der vorliegenden Erfindung kann die Wiederholungsrate des chirurgischen Strahls auf über 50.000 Pulse pro Sekunde erweitert werden.
Ein zweites Beispiel eines Wellenlängen-Wandlers ist in Fig. 5B gezeigt. In dieser Ausführungsform sind die Linse A und der nichtlineare Kristall 502 einfach angeordnet, wie in Fig. 5A spezifiziert, mit Ausnahme davon, dass der Kristall 502 geringfügig näher zu der Linse A positioniert ist. Ein hochreflektierender Spiegel 504 ist in einem Abstand f(A) von der Linse A angeordnet. Der Reflektionsspiegel 504 weist die Charakteristik auf, dass er bei der Grundwellenlänge und der Wellenlänge der zweiten Harmonischen des einfallenden Laserstrahls B1 höchst reflektierend ist. Ein teilweise transmittierender Strahlrichtungsspiegel 506 ist in dem Strahlpfad enthalten und ist unter ungefähr 45º von der Laserstrahl-Mittenposition 500 eingestellt. Der Strahlrichtungsspiegel 506 ist mit dielektrischen Dünnfilmen für eine hohe Transmission der Grundwellenlänge und eine hohe Reflektion der Wellenlänge der zweiten Harmonischen unter ungefähr 45º beschichtet. Ein einfallender Laserstrahl B1 unter einem Winkel Θ&sub1; mit der Mittenposition 500 geht durch den Strahlrichtungsspiegel 506 und wird durch die Linse A auf dem nichtlinearen Kristall 502 fokussiert. Der Strahl wird dann an dem Reflektionsspiegel 504 reflektiert, geht zum zweiten Mal durch den Kristall 502 und zieht seinen Strahlpfad durch die Linse A zurück. Der Abschnitt der zweiten Harmonischen des Strahls wird dann durch den 45º- Strahlrichtungsspiegel 506 reflektiert. Der austretende Strahl befindet sich nun unter einem Winkel Θ&sub1; von einer gedrehten zentralen Position 501, der zweimal der exakte Winkel des Strahlrichtungsspiegels 506 ist und somit ungefähr in bezug auf die zentrale Position 500 90º ist.
Der Vorteil des Aufbaus und des Verfahrens, die in Fig. 5B gezeigt sind, ist, dass der nichtlineare Kristall 502 zweimal von dem Grundstrahl verwendet wird. Dieses Verfahren kann die Umwandlung für den Fall eines kleinen Umwandlungs-Wirkungsgrads, für den Fall, wenn die Grundstrahlintensität nicht signifikant bei ihrem ersten Durchgang verringert wird (z. B. wenn der Wellenlängen-Umwandlungswirkungsgrad geringer als ungefähr 30-40% ist), fast verdoppeln.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die restlichen Laserphotonen des anfänglichen Laserstrahls B1 nicht verwendet und können durch einen dielektrischen beschichteten Spiegel herausgefiltert werden, der eine Bandpasscharakteristik mit einer hohen Transmission bei den Wellenlängen der zweiten Harmonischen von ungefähr 395-430 nm und einer Abblockung der Grundwellenlängen von ungefähr 790-860 nm aufweist. Alternativ können die Grundwelle und die Welle der zweiten Harmonischen räumlich unter Verwendung von dispersiven optischen Elementen getrennt werden, wie beispielsweise mit einem Prisma mit einem hohen optischen Index oder einem optischen Gitter. Die Filteroptik (nicht gezeigt) kann in den Strahlpfad, nachdem der Strahl von dem ersten Wellenlängen-Umwandler 108 austritt, angeordnet werden. Wie voranstehend erwähnt, weist der zweite Laserstrahl B2, nachdem er von dem ersten Wellenlängen-Umwandler 108 (siehe Fig. 1) austritt, eine Wellenlänge in dem Bereich von ungefähr 395-430 nm auf. Um die bevorzugten Betriebslaser-Wellenlängen von 198-215 nm zu erreichen, wird der Laserstrahl auf einen zweiten Wellenlängen-Umwandler 110 gerichtet.
Die optische Anordnung des zweiten Wellenlängen-Wandlers 110 ist fast identisch zu derjenigen des ersten Wellenlängen-Umwandlers 108, der in den Fig. 5A und 5B dargestellt ist. Der Hauptunterschied zwischen den zwei Wandlern 108, 110 ist in dem optischen Kristall 502. Für eine Wellenlängen-Umwandlung von ungefähr 395-430 nm bis ungefähr 198-215 nm ist der bevorzugte nichtlineare optische Kristall wieder Beta-Ba&sub2;BO&sub4; (Beta-Bariumborat). Die Betriebscharakteristiken unterscheiden sich darin, dass die Phasenanpassungswinkel bei oder nahe zu 90º für eine Phasenanpassung des Typs I sind. Die optischen Stirnflächen des Kristalls 502 sind für eine maximale Transmission an der vorderen Oberfläche für die Grundwelle, wo der Laserstrahl in den Kristall 502 eintritt, und für eine maximale Transmission bei der Welle der zweiten Harmonischen auf der Austrittsstirnfläche beschichtet. Die optischen Charakteristiken von Beta-Ba&sub2;BO&sub4;-Kristallen legen eine untere Grenze für die umgewandelte Welle von ungefähr 200 nm für einen annehmbaren Umwandlungs-Wirkungsgrad auf.
Der dritte Laserstrahl B3, der von dem zweiten Wellenlängen-Umwandler 110 austritt, weist eine Restwellenlänge von ungefähr 390-430 nm auf. Eine Wellenfiltereinrichtung, die aus einem dispersiven Prisma oder optischen Gittern besteht, kann verwendet werden, um die 200 nm Wellenlängen von den Inhalten der 400 nm Wellenlänge räumlich zu trennen. Das Wellenfilter (nicht gezeigt) kann irgendwo in dem Laserstrahlpfad nach dem zweiten Wellenlängen-Wandler angeordnet werden.
Der zweistufige Wellenlängen-Umwandlungsprozess, der voranstehend beschrieben wurde, kann so koordiniert werden, dass die Grundwellenlänge in ihre vierte Harmonische mit einer einzelnen optischen Anordnung umgewandelt werden kann. Wie in den Fig. 5A und 518 gezeigt, sind erste und zweite nichtlineare optische Kristalle 502, 503 (mit gestrichelten Linien gezeigt) in nächster Nähe angeordnet und sind bei der Strahlbreite des moderat fokussierten einfallenden Laserstrahls. Der erste Kristall 502 ist für Phasenanpassungsbedingungen geschnitten und orientiert, um die zweite harmonische Welle zu erzeugen. Der erste Kristall 502 wird verwendet, um die Grundwelle in ihre zweite harmonische Welle umzuwandeln, und weist eine Funktion, wie voranstehend für die Einzelkristall-Ausführungsform des ersten Wellenlängen-Wandlers 108 beschrieben, auf. Für diesen Zweck wird in der in Fig. 5A gezeigten Konfiguration der erste Kristall 502 vor dem zweiten Kristall 503 angeordnet, wobei er auf den einfallenden Laserstrahl B1 hingerichtet ist, der von dem Scanner-Verstärker auftritt. Der Teil des Laserstrahls B1, der in die Wellenlänge der zweiten Harmonischen von ungefähr 390-430 nm umgewandelt ist, nachdem er durch den ersten Kristall 502 geht, fällt dann auf den zweiten nichtlinearen Kristall 503 ein. Der zweite Kristall 503 ist für eine Phasenanpassung geschnitten und orientiert, wie voranstehend für den zweiten Wellenlängen-Wandler 110 beschrieben, was zu einem anderen Schritt einer Umwandlung in die zweite Harmonische führt, nun unter Verwendung des 390-430 nm Strahls von dem ersten Kristall 502 als die Grundwelle.
In der in Fig. 5B gezeigten Konfiguration wird der zweite Kristall 503 vor dem ersten Kristall 502 angeordnet. Jedoch läuft in Fig. 5B der einfallende Laserstrahl B1 durch das zweite Kristall 503 mit praktisch keiner Umwandlung, da der Kristall für eine Phasenanpassung für die 390-430 nm Laserpulse, die von dem ersten Kristall 502 austreten, nachdem die Pulse von dem Reflektionsspiegel 504 abreflektiert werden, orientiert ist. Somit wird der Teil des Laserstrahls B1, der in die Wellenlänge der zweiten Harmonischen von ungefähr 390-430 nm nach dem Durchgang durch den ersten Kristall 502 umgewandelt ist, reflektiert und fällt dann auf den zweiten nichtlinearen Kristall 503 ein. Der zweite Kristall 503 ist für eine Phasenanpassung, wie voranstehend für den zweiten Wellenlängen-Wandler 110 beschrieben, geschnitten und orientiert, was zu einer anderen Stufe einer Umwandlung in die zweite Harmonische führt, nun unter Verwendung des 390430 nm Strahls von dem ersten Kristall 502 als die Grundwelle.
Andere Modifikationen sind für einen optimalen Betrieb eines derartigen einstufigen Wellen- Wandlers erforderlich. Für die in Fig. 5A gezeigte optische Anordnung wird eine Linse B für eine maximale Transmission (Anti-Reflexion) in dem 200 nm Bereich in geeigneter Weise beschichtet. Das Material für die Linse ist vorzugsweise UV-Quarz für eine gute optische Transmission. In Fig. 5B ist die Modifikation, dass die Beschichtungscharakteristiken des dielektrischen Spiegels 506 durch Reflektieren auf ungefähr 198-215 nm unter einem 45º-Einfallswinkel sind. Diese Verbesserungen für eine optische Transmission für die Linse B in Fig. 5A treffen auch auf die Linse A in Fig. 5B zu.
Bei der voranstehenden Diskussion ist ein Lasergrundwellenlängenbereich von ungefähr 790-860 nm für einen Ti-dotierten Al&sub2;O&sub3;-Laser illustriert. Jedoch weist ein Ti:Al&sub2;O&sub3;-Laser einen Betriebsbereich von ungefähr 680 nm bis ungefähr 1200 nm auf. Deshalb kann die Wellenlängen-Umwandlungsvorrichtung und das Verfahren, die voranstehend beschrieben wurden, angewendet werden, um einen geringfügig erweiterten Ausgangswellenlängenbereich von ungefähr 396-600 nm nach der ersten Umwandlung und ungefähr 198-300 nm nach der zweiten Umwandlung zu erzeugen, und zwar ohne einen Verlust der Verallgemeinerung (die unteren Grenzen sind ungefähr 396 nm bzw. 198 nm, anstelle von ungefähr 340 nm und 170 nm, wegen der Beschränkungen des nichtlinearen Umwandlungskristalls 502).
In einer alternativen Ausführungsform kann die Wellenlängen-Umwandlungsvorrichtung und das Verfahren eine Summenfrequenzerzeugung mit zwei unterschiedlichen Laserwellenlängen umfassen. In diesem Fall ist der erste Wellenlängen-Wandler 108 strukturell wie voranstehend beschrieben. Wenn die Grundwellenlänge so gewählt wird, dass sie ungefähr 790-900 nm ist, können diese Wellenlängen verwendet werden, um mit der Welle der zweiten Harmonischen von ungefähr 395-450 nm gemischt zu werden. Jedoch muss der nichtlineare optische Kristall 502 in dem zweiten Wellenlängen-Wandler 110 für Phasenanpassungsbedingungen für die Grundwelle und die Welle der zweiten Harmonischen geschnitten und orientiert sein, um eine Laserwellenlänge von ungefähr 263-300 nm zu erzeugen. Wenn die Grundlaserwellenlänge von der Lasereinheit 100 in dem Bereich von ungefähr 790-900 nm ist, wird die Laserwellenlänge an dem Ausgang des ersten Wellenlängen-Wandlers 108 durch den Wellenmischvorgang an dem zweiten Wellenlängen-Wandler 110 auf ungefähr 263-300 nm modifiziert.

BETRIEB DER ERFINDUNGSGEMAßEN VORRICHTUNG

Um die einfache Verwendung der vorliegenden Erfindung zu verbessern und eine richtige Ausrichtung des chirurgischen Laserstrahls S in bezug auf eine Zielhornhaut zu verbessern, umfasst die vorliegende Erfindung eine Führungsstrahleinheit 132 (siehe Fig. 1). Die Führungsstrahleinheit 132 ist mit näheren Einzelheiten in Fig. 8 dargestellt.
Die Führungsstrahleinheit 132 umfasst einen Laser 800 mit niedriger Leistung mit einem Ausgang von vorzugsweise kleiner als 1 Milliwatt an einem anfänglichen Ausgang und vorzugsweise gedämpft auf einem Mikrowatt-Pegel für eine sichere Verwendung für eine direkte Betrachtung. Der Laser 800 in der Führungsstrahleinheit 132 kann zum Beispiel ein HeNe-Laser oder ein Halbleiterdiodenlaser sein. Der Laser 800 umfasst einen Führungsstrahl 801, der optisch so konditioniert ist, dass er als ein Anzeiger des Orts des chirurgischen Laserstrahls S verwendet werden kann. Zusätzlich kann der Führungsstrahl 801 als ein Element für die Ausrichtung des Auges bei der Vorbereitung für chirurgische Prozeduren verwendet werden.
Nach Austritt von dem Laser 800 wird der Durchmesser des Führungsstrahls 801 durch einen teleskopischen Strahlvergrößerer, der aus einer Zerstreuungslinse 802 und einer Sammellinse 804 besteht, auf ungefähr 10 mm erweitert. Der kollimierte Strahl wird dann durch eine schwach fokussierende Linse 806, mit einer Brennweite von über 500 nm, in einem Abstand von ungefähr dem Ort der Hornhaut des Patienten, komprimiert. Ein axial ausgerichtetes erstes und zweites Prismapaar 808, 810 sind mit dem erweiterten Strahl so ausgerichtet, dass ein auseinandergehendes Ringbild mit einer gleichförmigen Intensität nach dem ersten Prisma 808 erzeugt wird. Das zweite Prisma 810 fängt den auseinandergehenden Ring auf und beugt ihn, um ein Ringbild 812 ohne eine Divergenz zu bilden. Der Durchmesser des Ringbilds wird durch die Trennung zwischen dem Prismapaar 808, 810 gesteuert: Je weiter sie getrennt sind, desto größer ist der Ring. Die Position des zweiten Prismas 810 kann durch einen manuellen oder motorisierten Antrieb eingestellt werden. Der Führungsstrahl 801 tritt von der Führungsstrahleinheit 132 aus und wird mit dem Strahl G in Fig. 1 bezeichnet.
Der ringförmige Führungsstrahl G von der Führungsstrahl-Lasereinheit 132 wird auf einen teilweise transmittierenden Spiegel 134 gerichtet, der so angeordnet ist, dass der reflektierte Führungsstrahl G koaxial zu dem nicht abgelenkten chirurgischen Laserstrahl S ist. Im Betrieb würde ein Chirurg den Kopf des Patienten und das Zielauge bewegen, das der Führungsstrahl G grob über der Hornhaut des Patienten zentriert ist. Der Chirurg wird dann den Durchmesser des Ringbilds, das auf die Pupille des Patienten projiziert wird, so einstellen, dass der Ringdurchmesser nur geringfügig kleiner als die Pupillengröße des Patienten ist. An diesem Punkt würde der Patient den Führungsstrahl G sehen, aber nicht notwendigerweise an der zentrierten Position.
Der Patient wird vorzugsweise in einer bequemen Position (z. B. auf dem Rücken liegend), aber mit seinem oder ihrem Kopf innerhalb eines Halters oder einer Befestigung fixiert, platziert. Entweder die Halterung oder der gesamte Betriebstisch oder Stuhl ist konfiguriert, um in feinen Inkrementen um eine X- Y-Ebene senkrecht zu dem chirurgischen Laserstrahl S einstellbar zu sein. Der Patient würde dann seine Einstellungen seiner oder ihrer eigenen Augenposition in bezug auf den Führungsstrahl G durch Bewegen eines Betätigungsglied-Steuermechanismus (z. B. einen Joystick) für die Halterung oder den Betriebstisch oder Stuhl durchführen, bis der Patient bestimmt, dass der Führungsstrahl G offensichtlich am hellsten ist. Beim Abschluss der Einstellung des Patienten wird das Auge des Patienten mit der visuellen Achse des Patienten ausgerichtet, und zwar in Übereinstimmung mit dem Führungsstrahl G.
Ein Vorteil des ringförmigen Führungsstrahls G der vorliegenden Erfindung gegenüber einem festen Strahl ist, dass der Lichtabfall oder die Verringerung in der Helligkeit für den ringförmigen Strahl größer als zu dem festen Strahl ist, wenn jeder Strahl nicht zu der visuellen Achse des Patienten ausgerichtet ist. Somit stellt der ringförmige Strahl größere visuelle Anhaltspunkte für den Patienten bereit, wenn der Strahl neben der Achse ist.
Nachdem das Auge des Patienten unter Verwendung des Führungsstrahls G ausgerichtet worden ist, kann der Chirurg einen Saugring 400 über das Auge des Patienten anbringen, um dieses zu inimobilisieren. Das Augenverfolgungssystem 130 wird dann aktiviert, um eine Kompensation für irgendeine nachfolgende Bewegung des Auges bereitzustellen. Wenn das Auge immobilisiert ist, kann der Chirurg eine abtragende Operation unter Verwendung des erfindungsgemäßen Lasers beginnen.
Zum Bestimmen des Orts jeder abzutragenden Fläche und der Tiefe der benötigten Abtragung kann ein automatisches Rückkopplungs-Steuersystem mit dem erfindungsgemäßen System verwendet werden. Ein derartiges Steuersystem umfasst vorzugsweise einen Hornhaut-Profiler 136, der Information an die Computersteuereinheit 114 liefert, die ausreicht, um die erforderliche Intensität und die XY-Scan- Koordinaten für den chirurgischen Laserstrahl S zu bestimmen, und um ansonsten die Zuführung von Pulsen mit der Laserenergie an die Hornhaut zu steuern, um ein gewünschtes Hornhautoberflächenprofil zu erreichen. Ein geeigneter Hornhaut-Profiler 136 ist irgendeine Einrichtung, die die Form einer optischen Eigenschaft des Auges misst, um so eine derartige Information bereitzustellen.
Als eine Alternative zu einer einzelnen Profilmessung und einer Abtragung der Hornhaut auf Grundlage der angezeigten Parameter, kann ein gewünschtes Horuhautoberflächenprofil durch eine Abtragung durch eine sukzessive Approximationstechnik erhalten werden. Bei dieser Technik wird eine Messeinrichtung verwendet, um die gewünschte Änderung, die in dem Profil der Hornhautoberfläche durchgeführt werden soll, zu bestimmen. Pulse mit einer Laserenergie werden an die Oberflächen geliefert, um so einen geringfügig kleineren, als den gewünschten Grad der Veränderung hervorzubringen. Die Messeinrichtung wird dann wiederum verwendet, um die Korrektur zu bestimmen, die nun nötig wird, um das gewünschte Profil zu erreichen. Ferner werden Pulse der Laserenergie entsprechend bereitgestellt, um geringfügig weniger als die gesamt berechnete Korrektur zu erzeugen. Dieser Prozess wird wiederholt, bis die abgetragene Oberfläche das gewünschte Profil bis auf einen geeigneten Genauigkeitsgrad erreicht.
Messeinrichtungen, die für den Hornhaut-Profiler 136 geeignet sind, sind Keratometer, die bekannt und kommerziell erhältlich sind. Beispiele von derartigen Einrichtungen sind das "Photokeratoscope", hergestellt von der Sun Contact Lens Company aus Kyoto, Japan und das "Corneascope" hergestellt von International Diagnostic Instruments, Ltd., Broken Arrow, Oklahoma, USA (siehe auch S. D. Klyce, "Computer Assisted Comeal Topography", Invest. Ophtalmol. Vis. Sci. 25: 1426-1435, 1984, für einen Vergleich von diesen Instrumenten und ein Verfahren unter Verwendung des "Photokeratoscope"). Diese Einrichtungen arbeiten durch Abbilden von Mustern, gewöhnlicher Weise konzentrischen Ringen, auf der Hornhautoberfläche. Vorzugsweise wird das Keratometer, das für den Hornhaut-Profiler 136 in dem vorliegenden Verfahren verwendet wird, geringfügig modifiziert, um die Anzahl von Linien zu erhöhen, die auf den zentralen Abschnitt der Hornhaut abgebildet werden, so dass die Messauflösung der Krümmung des zentralen Abschnitts erhöht wird.
In der bevorzugten Ausführungsform empfängt der Hornhaut-Profiler 136 ein reflektiertes Bild einer Zielhornhaut mit Hilfe eines Spiegels 138, der zwischen einer außerhalb einer Linie liegenden Position A und einer innerhalb einer Linie liegenden Position B bewegbar ist. Wenn der Spiegel 138 in der Position B ist, kann ein anfängliches Profil der Hornhaut durch den Hornhaut-Profiler 136 bestimmt werden. Der Ausgang des Hornhaut-Profilers 136 wird an die Computersteuereinheit 114 gekoppelt und einem Chirurgen angezeigt. Als Reaktion auf irgendeine sich ergebende Eingabe von dem Chirurgen, beispielsweise die der gewünschten abschließenden Form der Hornhautoberfläche, bestimmt die Computersteuereinheit 114 die erforderlichen Einstellungen und Parameter, einschließlich der Pulsintensität, des Strahldurchmessers und der Zielorte auf der Hornhaut, für das erfindungsgemäße Lasersystem, um das gewünschte Abtragungsprofil zu erzeugen. Der Spiegel 138 wird dann an die Position A bewegt und die Operation wird begonnen.
Wenn die sukzessive Approximationstechnik, die voranstehend beschrieben wurde, verwendet wird, wird der Spiegel 138 periodisch in die Position B zurückbewegt, das Hornhaut-Profil wird erneut gemessen, die Computersteuereinheit 114 stellt das Lasersystem neu ein, der Spiegel 138 wird an die Position A zurückgezogen und die Operation wird erneut begonnen.
Beim Bestimmen der erforderlichen Einstellungen und Parameter, einschließlich der Pulsintensität, des Strahldurchmessers und der Zielorte auf der Hornhaut, für das erfindungsgemäße Lasersystem, um das gewünschte Abtragungsbefehlprofil zu erzeugen, erstellt die Computersteuereinheit 114 im wesentlichen eine dreidimensionale Konturkarte der Differenz zwischen (1) dem Hornhaut-Profil wie gemessen und (2) der gewünschten abschließenden Form der Hornhaut. Jeder Punkt in dieser Kontur kann im Hinblick auf rechteckige oder polare Koordinaten in einer bekannten Weise beschrieben werden. Beginnend mit einem gewählten Pulsätzprofil (d. h. einer gewählten Strahlintensität und einem gewählten Intensitätsprofil), wird die Ätztiefe jedes Pulses bekannt sein (eine derartige Information kann vorher durch Kalibrieren von Sätzen von Profilen auf dem Hornhautgewebe bestimmt werden). Mit einer vorbestimmten Ätztiefe kann die Konturkarte in eine Vielzahl von Ätzebenen (zum Beispiel des in Fig. 7B gezeigten Typs) aufgeteilt werden. Dann kann unter Verwendung eines gewählten anfänglichen Laserpulsdurchmessers jede Ebene der Konturkarte im Hinblick auf die X-Y-Koordinaten eines Musters einer ersten Ebene von Ätzprofilen für diesen Durchmesser charakterisiert werden.
Wenn zum Beispiel die abzutragende Fläche einen maximalen Durchmesser von 8 mm aufweist und der Laserpulsdurchmesser ungefähr 0,1 mm ist, dann wird ein Gitter von 80 · 80 Pulsen den gesamten maximalen Durchmesser abdecken. Ein beliebiges Wählen eines einzelnen Ursprungs für ein derartiges Gitter bedeutet, dass jeder Punkt auf einer Ebene der Konturkarte im Hinblick auf X-Y-Koordinaten definiert werden kann. Wenn die Ebenen in der Größe kleiner werden, kann der Laserpulsdurchmesser entsprechend verringert werden, aber das Prinzip einer Abbildung jeder Ebene der Konturkarte auf ein Gitter von X-Y-Koordinaten bleibt das gleiche.

AUFBAU DER SCANNER-VERSTÄRKER-LASEREINHEIT

Dieser Teil der Offenbarung richtet sich auf ein Laser-Verstärker-System, welches ein Paar von Scanspiegeln verwendet, die in einer Tandern-Anordnung durch Piezo-Betätigungsglieder angetrieben werden. Ein Steuersystem ist vorgesehen, um einen Laserstrahl mit geringer Leistung zu richten, während der Strahl eingefangen wird und zwischen dem Paar von Scanspiegeln zirkuliert. Jedes Zurückprallen des Laserstrahls zwischen den Spiegeln erhöht diskret die Leistung des Strahls und ändert den Austrittswinkeln des Strahls von dem Verstärker, wodurch eine genaue Winkelstrahl-Austrittssteuerung in zwei Dimensionen bereitgestellt wird.
In der bevorzugten Ausführungsform wird ein Laser-Scanner-Verstärkersystem 8 mit Ti-dotiertem Saphir Al&sub2;O&sub3; für das Lasermedium verwendet. Jedoch kann das Lasermedium andere abstimmbare Festkörper-Lasermaterialien, wie Alexandrit, Smaragd, Cr:LiCaF, Cr:LiSrF, Cr:Forsterit, Farbmittenlaser, oder Edelerden-Ionenlasermedien wie Nd, Pr, Er, Tm, Ho oder andere Übergangsmetallionen wie Co, Ni in verschiedenen Festkörper-Metallhosts, einschließlich von Oxiden oder Fluoriden, sein.
Ein Laserpulszug von einem Moden-eingerasteten Ti-dotiertem Al&sub2;O&sub3; Laser 10 in Fig. 10 wird als eine Keimeinheit für das Verstärker-Scannersystem verwendet. Die Laserpulsfrequenz des Modeneingerasteten Lasers kann, wie in dem technischen Gebiet altbekannt ist, durch die Umlaufzeit des Laserpulses innerhalb des Moden-eingerasteten Lasers gesteuert werden und ist bei zweimal der Treiberfrequenz des elektrischen Signals, das an das Modem-eingerastete Kristall angelegt wird. Die Frequenz wird so gewählt, dass die Zeitperiode zwischen benachbarten Impulsen eine bevorzugte Beziehung zu den Anordnungen der optischen Elemente innerhalb des Scanner-Verstärker-Systems aufweist. Für den Fall von Ti-dotiertem Al&sub2;O&sub3; kann ein Dauerbetriebslaser (continuous wave laser) 12, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt darauf, ein Argon-Gaslaser, der bei 514,5 nm arbeitet, oder ein Frequenzverdoppelter YAG oder YLF Laser bei 532 nm bzw. 527 nm, für die Pumpquelle verwendet werden. Der Pumplaserstrahl 13 wird in das Modem-eingerastete Lasermedium mit einer Sammellinse 14 hineinfokussiert. Die Anordnung eines mit einem Laser gepumpten Modem-eingerasteten Lasers ist in dem technischen Gebiet altbekannt und ein kommerzielles Modell ist von Spectra-Physics, Mountain View, Kalifornien, erhältlich.
Der Modem-eingerastete Laserstrahl 15 geht durch einen Satz von Strahlkonditionierungsoptiken 16, 18. In der Fig. 11 wird der Strahlquerschnitt durch eine negative (konkave) Linse 16 und eine positive (konvexe) Linse 18 mit ihren Brennpunkten übereinstimmend erweitert, um ein Erweiterungsteleskop zu bilden. Das Ausweitungsverhältnis kann sich von 2 bis 10 durch Wählen der geeigneten Brennweiten der optischen Elemente 16 und 18 verändern und wird durch die Modem- Anpassungsanforderung zwischen dem Keimstrahl 15 und dem räumlichen Mode des Verstärkerresonators bestimmt. Durch Zentrieren der Linsen entlag des Laserstrahls kann eine minimale Strahlverzerrung und eine gute Strahlkollimation erreicht werden, wenn der Keimstrahl 15 das optische Element 18 verlässt.
Der Keimstrahl wird durch die Hochreflexionsspiegel 20 und 22 in den Verstärkerresonator gerichtet. Der Strahl tritt zunächst in den Resonator durch den dielektrischen beschichteten Spiegel 24 ein, der die optischen Charakteristiken aufweist, dass ein pi-polarisierter Laserstrahl mit dem elektrischen Feldvektor horizontal zu der Einfallsebene eine 96% Transmission aufweist und ein pi-polarisierter Laserstrahl mit dem elektrischen Feldvektor vertikal zu der Einfallsebene über 99% Reflektivität aufweist. Derartige Dünnfilm-Polarisiererelemente werden von Burleigh North West, Fishers, New York, geliefert. Der Scanner-Verstärker-Resonator 8 wird durch die Scannerspiegel 26 und 28, die beide höchstreflektierende Spiegel sind, begrenzt. Die Scannerspiegel 26, 28 sind jeweils auf einer Kardan- Anordnung 29 mit 90º Verschwenkungen sowohl in der horizontalen als auch der vertikalen (X-Y) Richtungen angebracht. Die Konstruktion der Kardananbringung kann mit einer Spiegelanbringungs- Modellnummer MM-1, hergestellt und geliefert von der Newport Corporation, Fountain Valley, Kalifornien, mit geeigneten Modifikationen zum Verkürzen des Verschwenkungspunktabstand und zum Erhöhen der Federkraft illustriert werden. Die X-Y-Neigungen werden durch piezoelektrische Betätigungsglieder 31 mit einem Material wie PZT erreicht, das eine lineare Bewegung von 40 Mikron von einem vollständigen Scanbereich bei ungefähr 1000 Hz und bei höheren Frequenzen mit einem kleineren Bewegungsbereich aufweisen kann. Derartigen Piezo-Betätigungsglieder werden von einer Anzahl von Zulieferern geliefert, einschließlich Burleigh Instruments, Fishers, New York. Die Scanspiegel 26 und 28 werden unter dem gleichen Winkelgrad entweder unabhängig oder in einer Tandern-Anordnung sowohl in der X-als auch in der Y-Richtung angetrieben.
Die Betriebscharakteristiken der Piezo-Betätigungsglieder können kleine Variationen aufweisen. Die Gesamtscanwinkel des Laserstrahls, so wie er von dem Scanner-Verstärker austritt, muss gegen die Spannung, die an die Piezo-Betätigungsglieder 31 angelegt werden, kalibriert werden, wobei der kleine Hysteresebetrag von dem piezoelektrischen Effekt berücksichtigt wird.
Ein Paar von konkaven Linsen 30 und 32 sind innerhalb des Scanner-Verstärker-Resonators enthalten. Die Brennweiten der Linsen 30 und 32 sind derart, dass die Brennweite der Linse 30 so gewählt ist, dass sie so groß wie möglich ist, und dennoch die Größe des Scanner-Verstärkers praktisch und zweckdienlich für die Verwendung, und die Brennweite der Linse 32 wird so kurz wie möglich sein, aber dennoch nicht so kurz, um einen optischen Zusammenbruch an dem Brennpunkt zu verursachen. Die relativen Orte der Linsen 30, 32 und der Endspiegel 26 und 28 sind derart, dass die Spiegel 28 und 28 an dem Brennpunkt der Linsen 30 bzw. 32 sein sollen und die Trennung zwischen den Linsen soll die Summe von ihren Brennweiten sein. Ein anderer dielektrisch beschichteter Spiegel 34, der ähnliche Charakteristiken wie der Spiegel 24 aufweist, wird als ein Umlenkspiegel verwendet und weist auch einen Austrittsspiegel auf, wenn der Laserstrahl 15, in der Intensität verstärkt und in dem Scanwinkel verstärkt, von der Scanner-Verstärkereinheit 8 austritt.
Andere Steuerelemente innerhalb des Resonators umfassen eine Pockels-Zelle 36, die aus LiNbO&sub3; oder einem anderen elektro-optischen Kristall, wie KDP, besteht. Pockels-Zellen sind kommerziell von mehreren Quellen erhältlich, wobei eine derartige Quelle Medox Electro-optics von Ann Arbor, Michigan, ist. Mit der Anlegung der elektrischen Spannung über den Elektro-optischen Kristall kann eine Halb- Wellen-Verzögerung in dem elektrischen Feldvektor des Laserstrahls erzeugt werden, was die lineare Polarisation eines Laserstrahls, der den Kristall durchquert, von einer horizontalen Position auf eine vertikale und umgekehrt dreht. Eine Halbwellen-Verzögerungsplatte 38, die in der Nähe zu der Pockels- Zelle 36 angeordnet ist, dient zum Einstellen der Polarisation des Strahls, bevor er den Spiegel 34 erreicht, so dass der Strahl entweder innerhalb des Resonators bleiben wird oder den Resonator an dem Spiegel 34 verlassen wird.
Ein dünnes Plättchen (Etalon) 40 mit einer teilweise reflektierenden Beschichtung auf beiden Stirnflächen bei der Laserwellenlänge dient zum Steuern der Verstärkungsbandbreite des Keimstrahls 13. Durch Wählen der geeigneten Finesse des Plättchens wird die Wellenlängenbreite des Laserstrahls entsprechend verringet, im Vergleich zu der Keimstrahl-Bandbreite. Die Impulsdauer wird als Folge des verringerten Spektralinhalts in dem Laserpuls verlängert.
Ein anderes Verfahren zum Ausweiten der Pulsdauer kann durch Dehnen des Pulses, räumlich mit einem optischen Gitter, bevor der Puls in den Strahlpfad an der Stelle 21, die in der Zeichnung der Fig. 11 gezeigt ist, injiziert wird, erreicht werden. Für kürzere Pulse kann eine kommerzielle Puls-Kompressor Einheit, die grundlegend aus einer Monomode-Faser und einem Gitterpaar besteht, an einer Stelle 21 anstelle lediglich des optischen Gitters angeordnet werden. Eine derartige Einheit wird von Spectra-Physics Lasers, Mountain View, Kalifornien, hergestellt.
Somit kann der Ausgangslaserpuls von einem Minimum, welches dasjenige des Keimpulses ist, der ungefähr 1 Picosekunde für den Fall von Ti:Al&sub2;O&sub3; für das Lasermedium in dem Modem-eingerasteten Laser ist, auf so große Werte wie mehrere Hundert Picosekunden verändert werden.
Bezugnehmend nun auf Fig. 11A ist in einer zweiten Ausführungsform ein Laserverstärkungsmedium 42 in der Nähe des Scannerspiegels 26 angeordnet. Eine Resonatoröffnung 44, die eine feste oder einstellbare Iris mit zwei translatorischen Freiheitsgraden für eine geeignete Zentrierung mit dem Grundlasermodus aufweist, befindet sich innerhalb des Resonators. Das Lasermedium wird durch eine Laserquelle 48, die nachstehend noch mit näheren Einzelheiten beschrieben wird, optisch gepumpt. Die zweite Ausführungsform stellt eine Laserstrahlintensität innerhalb des Scannerresonators bereit, so dass die Strahlintensität durch Extrahieren von Energie, die in dem verstärkten Medium 42 gespeichert ist, zunimmt.

BETRIEB DER BEVORZUGTEN SCANNER-VERSTÄRKER-LASEREINHEIT

Für die Zwecke einer Illustration wird ein Winkel in der horizontalen Ebene (der X-Ebene) gescannt. Eine Scanspannung wird an beide Piezo-Betätigungsglieder 31 für eine Position der Kardanspiegelanbringungen für die Scanspiegel 26 und 28 in der gleichen Richtung auf dem gleichen Grad angelegt; beispielsweise schieben beide die Spiegel vorwärts, wie in Fig. 11 gezeigt. Ein elektrisches Halbwellenspannungs-Wellenformsignal wird an die Pockels-Zelle angelegt, wie in Fig. 12B dargestellt. Die Zeitsequenz von 2(i) bis 2(vi) markiert die Zeitentwicklung der optischen Verzögerung der Pockels- Zelle 36. Zur Zeit 2(ii) soll eine Spannung starten und die optische Verzögerung erreicht eine Halbwelle zur Zeit 2(iii). Die Spannung wird zur Zeit 2(iv) abgeschaltet und eine Null-Verzögerung wird zur Zeit 2(v) erreicht. Die Zeitdauer zwischen 2(ii) und 2(iii) wird als die Anstiegszeit der Pockels-Zelle für eine Halbwellen-Verzögerung bezeichnet. Die Dauer zwischen 2(iv) und 2(v) ist die Abfallzeit für die genannte.
Da der Keimlaserpuls in dem Pikosekundenbereich ist, wird die räumliche Ausdehnung der Laserenergie in dem Bereich von Millimetern lokalisiert. Der Resonatorabstand zwischen den Scanspiegeln 26 und 28 ist wegen praktischer Gründe in dem Bereich von mehreren Zehn Zentimetern bis mehreren Zehn Metern. Deshalb kann für sämtliche praktischen Anwendungen der Laserpuls als lokalisiert angesehen werden und wird durch Markierungen 2(i) bis 2(vi) dargestellt, wenn er sich durch den Scanner-Verstärker- Resonator bewegt. Der Keimlaserstrahl bewegt sich zur Zeit 2(i) in Richtung auf den Scanner-Verstärker- Resonator hin und tritt durch den Dünnfilm-Polarisiererspiegel 24 ein. Wie in Fig. 12A gezeigt, weist der Strahl 15 eine lineare Polarisation mit dem elektrischen Feldvektor in der horizontalen Richtung, wie mit dem Pfeil angezeigt, auf. Der Strahl geht durch die Linse 30 und wird an einem Punkt vor der Linse 32 fokussiert, die den Strahl als Folge der konfokalen Anordnung der Linsen 30 und 32 kollimiert. Die Spannung der Pockels-Zelle (PC) befindet sich auf dem Null-Pegel und die Polarisation des Keimstrahls wird nicht verändert. Die Spannung der Pockels-Zelle schaltet sich dann zur Zeit 2(ii) ein, genau nachdem der Laserpuls das PC-Kristall verlässt. Die Polarisation ändert sich um 90º nach Durchlaufen durch die Halbwellenplatte 38 und ist nun vertikal, wie mit einem kleinen Kreis auf dem Strahlpfad angedeutet. Der Strahl wird dann durch den Dünnfilm-Polarisiererspiegel 34 reflektiert, der den Strahl in Richtung auf den Scanspiegel 28 hin richtet.
In Fig. 13 sind der Strahlpfad und der Einfallswinkel an den Spiegeln 26 und 28 dargestellt. Es sei angenommen, dass eine Spannung V&sub1; an das Piezo-Betätigungsglied 31 angelegt wird, das einen Scanwinkel von Θ&sub1; von seinem Null-Grad-Einfall bewirkt, bei dem der Spiegel sich mit dem ankommenden Keimstrahl unter dem normalen Einfall befindet. Der reflektierte Strahl ist bei einem Winkel 2 Mal Θ&sub1; von dem ankommenden Strahl. Wiederum bezugnehmend auf die Zeichnung in Fig. 12A wird der Strahl an dem Spiegel 28 reflektiert. Die vertikale Polarisation des Strahls ändert sich beim Durchlaufen durch die Halbwellenplatte 38 um 90º. Die PC-Spannung erreicht eine Halbwellen-Verzögerung bei 2(üi) (siehe Fig. 12B), bevor der Laserpuls die PC erreicht. Beim Durchlaufen durch die PC wird die Polarisation um 90º gedreht und ist nun vertikal. Die Linse 30 sammelt den Laserstrahl 15 erneut und der Dünnfilm-Polarisierer 24 ist nun bei einer hohen Reflexion in bezug auf den vertikal polarisierten Strahl. Der Strahl 15 bewegt sich dann in Richtung auf das Laserverstärkungsmedium 42 und die Resonator- Öffnung 44 hin.
Unter der Annahme, dass eine Spannung V&sub2; an das Betätigungsglied 31 in der Spiegel-Kardan Anbringung 29 für den Scanspiegel 26 angelegt wird, ergibt sich eine Winkeldrehung um Θ&sub2; von dem normalen Einfall in der X-Ebene, wobei der normale Einfall als die Scanspiegel-Winkelposition für beide Spiegel 26 und 28 definiert wird, an der der Keimlaserstrahl 2(i) seinen Strahlpfad nach einer Reflexion von diesen beiden Spiegeln zurückläuft. Der reflektierte Strahl ist deshalb bei einem größeren Winkel als der einfallende Strahl, bevor er auf dem Spiegel 26 auftrifft, und zwar um einen Winkel 2 mal Θ&sub2;, wie in Fig. 13 gezeigt.
Zur einfacheren Erläuterung richtet sich die folgende Diskussion auf ein Ausgeben des Laserstrahls nach nur einer Reflexion von jedem der Spiegel 26 und 28; jedoch sei drauf hingewiesen, dass erwogen wird, dass eine Vielzahl von Reflexionen für jeden Spiegel innerhalb der Einrichtung auftreten, bevor der Strahl davon austritt. Durch eine derartige Wahl startet die PC-Spannungs-Abschaltung, nachdem der Strahl von der PC zur Zeit 2(iv) austritt, und die Verzögerung ist bei 2(v) Null, bevor der Strahl die PC auf seinem Rücklauf von dem Scanspiegel 26 erreicht. Die vertikale Polarisation bleibt vertikal nach Durchlaufen durch die PC und wird auch horizontal nach der Halbwellen-Platte 38 gedreht. Der polarisierte Dünnfilmspiegel ist nun für den Laserstrahl transmittierend und der Laserstrahl tritt von dem Verstärker- Scanner der Erfindung mit einem Scanwinkel aus, der sich aus der Summe der Effekte der Scanwinkel Θ&sub1; und Θ&sub2; von den Scanspiegeln 28 bzw. 26 ergibt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung die Scanspiegel 26 und 28 wiederholt für ein oder mehrere Umläufe des Strahls innerhalb des Resonators verwendet, um den Strahlwinkel vor Austritt von dem Spiegel 34 zu verstärken und genau auszurichten.
In der bevorzugten Ausführungsform muss die PC-Spannungs-Abschaltung, zu den Zeiten 2(iv)- 2(v), an den letzten Zweig nach ein oder mehrere Umläufen zwischen den zwei Scanspiegeln 26 und 28 angelegt werden. Für den Fall, dass die Spannungsabschaltung verschoben wird, wie in der Darstellung der Fig. 12A, wird die Polarisation des reflektieren Strahls von dem Spiegel 26 auf horizontal nach der PC, die noch auf ihrer Halbwellenspannung ist, und zurück auf vertikal wieder nach der Halbwellenplatte 38 gedreht. Deshalb ist der Spiegel 34 höchst reflektierend. Der Strahl wird innerhalb des Resonators eingefangen und der Strahlwinkel nimmt mit jeder Reflexion mit einem der Scanspiegel zu.
Zusätzlich zu der Änderung des Strahlwinkels vergrößert die optische Anordnung ferner den Gesamtscanwinkel des Strahls mit einem Leistungsmultiplikations-Erhöhungsfaktor.
Wenn die Brennweiter der Linse 30 größer als diejenige Linse 32 ist, um einen Faktor M, dann gilt:
M = f(30)/f(32)
wobei f(30), f(32) die Brennweiten der Linse 30 bzw. 32 sind. Der Einfallswinkel auf den Spiegel 28 ist Θ&sub1; und der Einfallswinkel auf den Spiegel 26 ist: Θ&sub1;/M + Θ&sub2;.
Es sei auf die Winkelverkleinerung von Θ&sub1; als Folge der Differenz in der Brennweite der Linsen hingewiesen.
Beim Durchlaufen durch die Linsensysteme von 30 bis 32 tritt das Entgegengesetzte auf, d. h. eine Vergrößerung des effektiven Winkels. Der Einfallswinkel auf den Spiegel 28 ist nun: (Θ&sub1;/M + Θ&sub2;) · M + Θ&sub1;.
In der Darstellung der Fig. 12A, bei der der Laserstrahl den Resonator nach einer Reflexion von den Spiegeln 26 und 18 verlassen soll, würde der Ausgangsstrahl einen Scanwinkel von: 2 · (Θ&sub1; + M · Θ&sub2;) aufweisen.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Scanwinkel als Folge des Spiegels 26, Θ&sub2;, durch einen Faktor M vergrößert wird.
Wenn zugelassen wird, dass insgesamt N-Reflexionen für jeden der zwei Scanspiegel auftreten, ist der abschließende Scanwinkel des Austrittsstrahls: 2N · (Θ&sub1; + M · Θ&sub2;).
Da jede Reflexion oder Transmission auf der optischen Oberfläche einen gewissen Betrag eines Intensitätsverlusts und einer optischen Verzerrung in dem Laserstrahl verursacht, wird idealer Weise der beabsichtigte Scanwinkel mit der kleinsten Anzahl von Kontakten auf optischen Oberflächen erreicht. Wenn die Scanspiegel identische Kardananbringungen 29 und Piezo-Betätigungsglieder 31 aufweisen, können die Spiegel in einer Tandern-Anordnung gescannt werden und Θ&sub1; und Θ&sub2; werden im wesentlichen gleich sein. Der optische Verlust als Folge der Streuung von sämtlichen optischen Elementen innerhalb des Resonators wird um einen Faktor (M + 1)/2 verringert.
Für M = 3 und 10 Umläufe innerhalb des Resonators wird der Scanwinkel um 20 mal mehr als die Verstärkung der Scanwinkel von zwei gleichen, aber nicht gekoppelten Piezo-Spiegeln, verstärkt.
Es ist auch klar, dass die gesamte voranstehende Diskussion bezüglich der Abtastung in der horizontalen Richtung auch auf die vertikale Richtung (eines Y-Scans) anwendbar ist, durch Anlegen der Scanspannung an das Piezo-Betätigungsglied, das die vertikale Neigung des Scanspiegels steuert. Durch Anlegen der geeigneten Spannungen an die Betätigungsglieder, die die horizontalen und vertikalen Scan- Richtungen steuern, kann der Laserstrahl an irgendeine vorgegebene Stelle in dem zweidimensionalen Winkelraum gerichtet werden.
Die Pumpquelle 48 des Ti:Al&sub2;O&sub3; in dem Verstärkerresonator in Fig. 11 besteht aus zwei Hauptkomponenten, nämlich einem Nd-dotierten YAG oder YLF Laser, der von Bogenlampen wie einer Kr oder Ar Gaslampe, die von ILC Technology, Sunnyvale, Kalifornien, geliefert wird, oder von Halbleiterdiodenfeldern mit der Emissionslaserwellenlänge, die dem Absorptionsband von Nd-dotiertem YAG oder YLF angepasst ist, kontinuierlich gepumpt wird. Mehrere hundert bis über eintausend Watt der Dauerbetriebs-Laserausgangsleistung von Nd:YAG ist mit mehreren Lampen-gepumpten Laserköpfen innerhalb eines Laser-Resonators erreichbar. Derartige Laser werden von Lasermetric, Orlando, Florida, und einer Anzahl von anderen industriellen YAG Laser-Zulieferern geliefert.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Ti-Ion ein Absorptionsband auf, das bei ungefähr 520 nm zentriert ist, mit einer vollen Breite bei einem halben Maximum von ungefähr 100 nm. Die Wellenlängen der zweiten Harmonischen des Nd-dotierten YAG und YLF sind um 532 nm bzw. 527 nm herum zentriert und sind beide für eine Pumpquelle geeignet.
In dem Prozess der Erzeugung von zweiten Harmonischen (SHG) ist einer der begrenzenden Faktoren in dem Umwandlungs-Wirkungsgrad und der Leistungsstabilität der Temperaturgradient; der durch eine Absorption des Lasers bei seiner Grundfrequenz und einer Frequenz der zweiten Harmonischen verursacht wird. Eine Auswahl eines zweiten harmonischen Kristalls mit einer guten thermischen Leitfähigkeit und ein Kühlen des Kristalls durch einen Flüssigkeitsfluss oder durch eine Kontaktkühlung sind unter den gängigsten Verfahren, um die obere Grenze der Eingangsgrundlaserleistung für das SHG- Kristall zu erweitern.
Bezugnehmend nun auf die Zeichnungen 14A, 14B und 14C wird der Ausgang des Laserstrahls 55 von einer akustisch-optisch geschalteten, Nd-dotierten YAG oder YLF Laserstrahlquelle 56 mit hoher Leistung an eine Reihe von teilweise reflektierenden Strahlteilern 57 gerichtet, die mit einem Dielektrikum so beschichtet sind, dass sie bei dem Einfall unter 45º alle eine hohe Transmission für die Wellenlänge der zweiten Harmonischen aufweisen und jeder nachfolgender Teiler höchstreflektierend an der Grundwellenlänge der Laserquelle 56 ist, so dass die Laserstrahlleistung gleichermaßen über jeden Zweig verteilt wird, wenn sie in Richtung auf die SHG-Kristalle 60 hin gerichtet sind. Der Kristall 60 wird für einen hohen, nichtlinearen Koeffizienten, einen guten Akzeptanzwinkel und eine hohe Toleranz gegenüber einem Temperaturgradienten gewählt. KTP ist eine der Hauptpräferenzen für ein SHK-Kristall für eine Umwandlung bei 1,04 bis 1,06 Mikrons.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden 20-60 Watt einer durchschnittlichen Leistung in den Strahlen 1-5 der Fig. 14A erreicht. Um den Umwandlungs-Wirkungsgrad weiter zu erhöhen, kann eine konvexe Linse 58 zwischen jedem Teiler 57 und jedem SHG-Kristall 60 eingefügt werden, so dass der Kristall an dem Brennabstand f(58) von der Linse ist, wo der Strahlquerschnitt der kleinste ist und die Laserleistungsdichte die höchste ist. Die Brennweite der Linse wird gewählt, um den Akzeptanzwinkel des SHG-Kristalls zu optimieren. Ein sphärischer konkaver Spiegel 62, der sowohl bei der Grundwellenlänge als auch der Wellenlänge der zweiten Harmonischen höchst reflektierend ist, ist an dem Radius der Krümmung des Spiegels 62, R(62), von der ersten Oberfläche des Kristalls angeordnet, wo der Laserstrahl in den Kristall eintritt. Diese optische Anordnung ermöglicht, dass die rücklaufenden Strahlen sowohl der Grundwelle als auch der zweiten Harmonischen den Strahlpfad ihres ersten Durchgangs in dem Kristall zurücklaufen und eine gute Strahlüberlappung in dem Kristall sicherstellen, obwohl eine Verschiebung zwischen den Strahlen nach ihrem ersten Durchgang vorhanden sein kann.
Um die Ausführungsform zu illustrieren, werden fünf Strahlen bei der zweiten harmonischen Wellenlänge mit einem neuartigen räumlichen Kombinierer 64 kombiniert. Wie in Fig. 14B gezeigt, ist der Kombinierer 64 ein optisches Element mit sechs Stirnflächen, das vier Seiten 63a, 63b, 63c und 63d aufweist, die jeweils einen Winkel von 45º mit der Basisstirnfläche 67 und einer oberen Stirnfläche 65, die parallel zu ihrer unteren Stirnfläche 67 ist, bilden. Die Seitenstirnflächen sind für eine hohe Reflektivität bei der Wellenlänge der zweiten Harmonischen unter 45º beschichtet und die oberen und unteren Stirnflächen sind mit einer Antireflexionsbeschichtung bei der zweiten harmonischen Wellenlänge beschichtet. Wie in Fig. 14C gezeigt, können durch Verwenden von Strahlsteueroptiken die fünf Strahlen von der Fig. 14A von den Seitenstirnflächen des Kombinierers 64 reflektiert werden und ein Strahl (Strahl 2) in Fig. 14C kann durch die parallelen Stirnflächen transmittiert werden. Die Strahlen sind so eingestellt, dass sie neu kollimiert werden und parallel zueinander sind. Eine konvexe Linse 66 ist symmetrisch in dem Strahlpfad zentriert und fokussiert die fünf Strahlen in einem gemeinsamen Brennpunkt. Dieses optische Element 66 kann eine Ersetzung oder ein Äquivalent zu dem Element 46 der Fig. 11 sein.
Aus der vorliegenden Erfindung folgt auch, dass zusätzliche Strahlen mit einem räumlichen Kombinierer mit zusätzlichen Facetten auf dem Kombinierer kombiniert werden können. Beispielsweise kann ein Hexagon anstelle eines quadratischen oberen Teils bis zu 7 Strahlen kombinieren.
In einer Ausführungsform können die Facetten auf mehr als einer Schicht, beispielsweise als vier Facetten auf der oberen Stirnfläche und 6 Facetten auf der zweiten Stirnfläche, gebildet werden.
In sämtlichen Endpumpkonfigurationen wird der Pumpstrahl durch die laseraktiven Ionen in dem Kristall-Host absorbiert. Die Energieverteilung in dem Lasermedium ist eine negative exponentielle Funktion, mit einem Maximum an der Eintrittsstirnfläche. Für eine effiziente Kühlung und zum Minimieren der Verzerrung des Laserstrahls soll das Lasermedium in der Erfindung in der Form eines zylindrischen Laserstabs sein. Ein herkömmlicher Laserstab wird mit den Endstirnflächen außerhalb des Kontakts mit dem Kühlmittel angebracht. In Fig. 15A besteht die bevorzugte Ausführungsform aus einem Ti:A 1203 Laserstab mit einer ausgenommenen Säule 50. Ein dünnes Wandrohr, welches aus nicht-dotiertem Saphir 52 gebildet wird, soll an die Endabschnitte des Laserstrahls passen. Das Rohrstück wird an dem Laserstab angeklebt und die gesamte Anordnung weist eine zylindrische Form auf, wie in Fig. 15B gezeigt. Dieses zylindrische Teil wird dann an einer flüssigkeitsgekühlten Ummantelung ähnlich zu denjenigen, die in einem mit einer Bogenlampe gepumpten Laser verwendet werden, angebracht. Ein Wasserflusskanal um das Lasermedium herum und die Verlängerung ist in Fig. 15B gezeigt, bei der die Wassereinlässe und -auslässe schematisch gezeigt sind. O-Ringe 54 werden in einer derartigen Weise gehalten, dass das Kühlmittel davon abgedichtet ist, in einem Kontakt mit den flachen Laseroberflächen der Laserstäbe zu kommen. Die Röhrenverlängerung erlaubt dass das gesamte Lasermedium in Kontakt mit dem Flüssigkeitskühlmittel ist. Die Verwendung des gleichen Materials in dem Erweiterungsrohr minimiert auch mechanische Spannungen als Folge einer Differenz in dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, mit einer Temperaturveränderung in der gesamten Anordnung.
In einer anderen Ausführungsform kann eine zusätzliche Pumpquelle durch einen Spiegel 24 kollinear zu einem Laserpfad von der Pumpquelle 48 angewendet werden, so dass das Lasermedium von beiden Enden gepumpt wird.
In einer anderen Ausführungsform kann ein zusätzliches Lasermedium vor dem Scanspiegel 28 angeordnet werden und eine Pumpkonfiguration identisch zu den optischen Elementen 46 und 48, die ein Ende des Lasermediums pumpen oder von beiden Enden des Lasermediums pumpen, kann auf den zu dem Lasermedium nahen Spiegel 28 angewendet werden.
Ein Laserbetrieb mit mehreren Kilohertz wird mit dem folgenden Verfahren erreicht. Eine synchronisierte elektrische Wellenform wird von dem Modem-eingerasteten Treiber 66 abgezapft. In Übereinstimmung mit der gewünschten Wiederholungsrate kann das synchronisierte Signal elektrisch durch eine Timer-Teilerschaltung 68 geteilt werden, wie diagrammartig in Fig. 16 gezeigt. Der sich ergebende Frequenzausgang des Timer-Teilers bestimmt die Laserfrequenz des Scanner-Verstärker-Systems. Das elektrische Ausgangssignal der Teilerbox wird dann durch Verzögerungsgeneratoren 70 und 74, die kommerziell von Stanford Research Systems, Sunnyvale, Kalifornien, erhältlich sind, zeitlich verzögert. Eines der verzögerten Signale 71 wird in einen Q-geschalteten Treiber 72 in dem Pumplaser 68 hineingeführt und ein zweites zeitlich verzögertes Signal 75 wird in den Treiber 76 der Pockels-Zelle geführt.
Die zeitliche Abstimmung der elektrischen Signale und der Laser-Ereignisse sind in Fig. 17 dargestellt. In der oberen Kurve 7(a) der Fig. 17 werden Modem-eingerastete Laserpulse mit mehreren Megahertz (30-200 MHz) durch gleich beabstandete Laserspikes bei Zeitintervallen gleich zu zweimal der Frequenz des Modem-eingerasteten Treibers dargestellt. Nach der Timer-Teilerschaltung werden elektrische Signale mit mehreren Kilohertz (1000-50.000 Hz) an dem Ausgang der Timer-Teilerbox erzeugt, die mit der Kurve 7(b) gezeigt sind. Bei einer Zeitverzögerung T&sub1; wird der Q-geschaltete Treiber für den Pumplaser eingeschaltet, in der Kurve 79(c), wobei ein kurzer Impuls des Laserpumpimpulses bei einer Zeitverzögerung Tr, entsprechend zu dem Aufbau des Pumppulses, einer Charakteristik der Pumpkonfiguration und des Verstärkungsfaktors des Pumplasennediums, erzeugt wird. Der Pumppuls der zweiten Harmonischen wird in dem Ti:Al&sub2;O&sub3; Lasermedium absorbiert, in der Kurve 7(d). Die Pockels- Zelle wird bei der Zeitverzögerung T&sub2; relativ zu einem synchronisierten Timer-Teilersignal, das der Puls nach demjenigen ist, der den Q-geschalteten Treiber triggert, eingeschaltet. Die Zeitverzögerung T&sub2; wird durch den tatsächlichen Ort des Keimlaserpulses von dem Modem-eingerasteten Laser bestimmt, wie voranstehend zusammen mit der Diskussion der Fig. 12A erläutert wurde. Die Verzögerungszeit T&sub1; soll so eingestellt werden, dass die Spitze der Belegungsinversion auftritt, wenn der Kristall der Pockels-Zelle den Halbwellen-Verzögerungspunkt von 2(iii) erreicht, wie in Fig. 12B gezeigt.

ANWENDBARE CHIRURGISCHE PROZEDUREN

Das chirurgische Lasersystem der vorliegenden Erfindung kann zahlreiche Type von chirurgischen Prozeduren auf der Hornhaut ausführen. Unter anderen Prozeduren sind zwei Typen einer Lasergewebewechselwirkung für das erfindungsgemäße System besonders geeignet:
(1) Das erfindungsgemäße System kann leicht Schnitte mit einer geraden Linie und mit gekrümmten Linien, mit irgendeiner vorgegebenen Länge und Tiefe, an irgendeinem Ort, der von einem Chirurgen bestimmt wird, erzeugen.
Wie in Fig. 9A dargestellt, können mehrere radiale Schnitte 902, in der Schnittlänge gleich oder teilweise gleich und mit einer Winkeltrennung zwischen den Schnitten, auf der Hornhaut mit dem gegenwärtigen chirurgischen System durchgeführt werden. Ein Schnitt kann gemacht werden, indem der chirurgische Laserstrahl S auf einer vorgegebenen Stelle auf der Hornhaut gerichtet und die gewünschte Menge Gewebe durch Steuern der Laserstrahl-Energiedosierung entfernt wird. Die vorliegende Erfindung stellt Optionen zum Durchführen eines Schritts mit entweder einer breiteren Schnittbreite durch Verwenden einer Fleckgröße eines größeren Strahls auf der Hornhautoberfläche oder zum Bilden eines kleineren Schnitts durch Verwenden eines mehr fokussierten Strahlflecks bereit. Mit der vorliegenden Erfindung kann die Tiefe jedes Schnitts über der Länge des Schnitts verändert werden.
In Fig. 9B zeigt eine Seitenansicht eines Querschnitts der Hornhaut eine kleinere bzw. seichtere Schnitttiefe 904 in der Nähe des zentralen Bereichs der Hornhaut und eine tiefere Schnitttiefe 905 in der Nähe der äußeren Kante der Hornhaut. Eine derartige Prozedur stellt eine gleichförmigere Beanspruchung der Hornhaut von den zentralen zu den Kantenbereichen bereit und erhöht eine visuelle Schärfe nach der Operation.
Die Erfindung kann auch leicht transversale Schnitte ("T-Schnitte") erzeugen, wie in Fig. 9C gezeigt. Durch Richten des chirurgischen Laserstrahls S. um ein Paar von gegenüberliegenden transversalen Schnitten 906 entlang einer Achse 908 relativ zu der Mitte des Auges zu bilden, wird die Brechkraft des Auges entlang der Achse verkleinert. Die axiale Länge d und der Ort des Schnitts kann sich in Übereinstimmung mit dem Betrag der gewünschten Korrektur in einer bekannten Weise verändern.
Das erfindungsgemäße System kann auch für Prozeduren bei Hornhaut-Transplantaten verwendet werden. Eine Beschneidung der Hornhaut in irgendeiner vorgegebenen Form (z. B. kreisförmig, elliptisch, hexagonal, etc.) kann auf dem Spenderauge und dem Empfängerauge ausgeführt werden. In beiden Fällen rechnet die Computersteuereinheit 114 den Strahlort auf Grundlage der benötigen bestimmten Form und den Betrag der Laserenergie, die zum Schneiden durch die Hornhaut benötigt wird.
Im allgemeinen können Schnitte in der Hornhaut an effektiven Stellen zum Ausführen von radialen Keratotomien oder zum Ausführen von T-Schnitten zum Korrigieren von Weitsichtigkeit, Kurzsichtigkeit oder Astigmatismus, durchgeführt werden.
(2) Der zweite wichtige Typ von Lasergewebe-Wechselwirkung, der von dem erfindungsgemäßen System bereitgestellt wird, ist eine Flächenabtragung, die eine direkte Modellierung der Hornhautoberfläche erlaubt.
Wie in Fig. 10A dargestellt, kann ein lokaler Kratzer oder ein infektiöses Gewebe mit der vorliegenden Erfindung entfernt werden. Das defekte Gewebe wird auf eine gewünschte Tiefe d über einer vorgegebenen Fläche auf der Hornhaut entfernt. Eine Spenderhornhautkappe kann auf die gewünschte Dimension und Dicke unter Verwendung der Erfindung geschnitten und abgetragen ("modelliert") werden. Das Kappenstück wird dann an das Bett mit der freigelegten Stroma transferiert und durch eine Klammerung, einen Klebstoff oder irgendeine andere geeignete Vorgehensweise, in einer bekannten Weise, angebracht werden.
Wiederum bezugnehmend auf Fig. 10A ist ein alternatives Verfahren zum Ausführen einer Hornhaut-Transplantation gezeigt. Die Erfindung kann verwendet werden, um die Hornhaut auf dem größten Teil des Wegs oder dem gesamten Weg von dem Epithelium zu dem Endothelium der Hornhaut abzutragen. Dann wird eine Spenderhornhaut 1001 auf übereinstimmende Dimensionen geschnitten und an die offene abgetragene Fläche durch Klammern oder andere bekannte Verfahren angebracht.
Für eine Korrektur einer Kurzsichtigkeit, wie in Fig. 10B gezeigt, kann die Krümmung der Hornhaut durch selektives Abtragen der Hornhaut in einer derartigen Weise, dass mehr Gewebe an dem Mittenabschnitt C der Hornhaut abgetragen wird, wobei ein geringerer Betrag des Gewebes in Richtung auf den Umfang C der Hornhaut enternt wird, verkleinert werden. Vor der Laserprozedur kann das Epithelium optional durch eine mechanische Einrichtung entfernt werden. Das neue gewünschte Profil des Auges kann die Bowman-Membran und einen Teil der stromalen Schicht, in Abhängigkeit von der Menge der benötigten Brechungskorrektur, umfassen. Wie vorher beschrieben, trifft die Computersteuereinheit 114 Vorkehrungen für die Sequenz, den Ort und die Intensität von Laserpulsen, die aufgebracht werden sollen. Das Aufbringungsmuster ist vorzugsweise in Übereinstimmung mit den Mustern, die voranstehend in dem Abschnitt "Verfahren zum Aufbringen von Laserpulsen" diskutiert wurden.
Für die Korrektur einer Weitsichtigkeit, wie in Fig. 10C gezeigt, besteht die Absicht darin, die Krümmung des Auges zu erhöhen. Hornhautgewebe muss mit zunehmender Dicke von dem Mittenabschnitt C nach außen in Richtung auf den Umfang P der Hornhaut hin entfernt werden. In Abhängigkeit von dem Betrag der Korrektur in der Brechungsleistung verändert sich der Ätzgradient für das entfernte Gewebe. Wie in Fig. 10C gezeigt, nimmt die Tiefe des entfernten Gewebes wiederum in der Nähe des Umfangs des Auges für einen sanften Übergang ab. Die Größe des verwendbaren zentralen Bereichs R verändert sich in Abhängigkeit von dem Ausmaß der Weitsichtigkeit-Korrektur.
Die Erfindung ist besonders nützlich für die Korrektur von asymmetrischen Brechungsfehlern. Unregelmäßige Verzerrungen können sich aus einer schlechten Anpassung einer Hornhaut von einem Transplantat, einer ungleichmäßigen Klemmung oder von nicht perfekten chirurgischen Brechungsprozeduren, wie einer lamellaren Keratomileusis oder Epikeratophakia, ergeben. Das erfindungsgemäße System kann den chirurgischen Laserstrahl S an irgendeine gewünschte Stelle richten, um die Hornhaut in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Form zu modellieren. Der chirurgische Laserstrahl kann somit angewendet werden, um ein unregelmäßiges Profil auszuglätten.
Eine andere Verwendung der Erfindung besteht darin, standardmäßige oder kundenspezifisch zugeschnittene modellierte Hornhautkappen, bevor sie benötigt werden, herzustellen. Die Erfindung kann auf einer Spender-Hornhaut oder einem synthetischen Hornhautersatz verwendet werden, um ein gewünschtes Profil zum Korrigieren einer Kurzsichtigkeit, Weitsichtigkeit oder eines Astigmatismus abzutragen. Derartige modellierte Kappen können dann an eine geeignet vorbereitete Hornhaut in einer bekannten Weise angebracht werden.

ZUSAMMENFASSUNG

Eine Anzahl von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind beschrieben worden. Trotzdem sei darauf hingewiesen, dass verschiedene Modifikationen ohne Abweichen von dem Umfang der Erfindung ausgeführt werden können. Während die Erfindung zum Beispiel im Hinblick auf rechteckförmige Koordinaten beschrieben worden ist, können in äquivalenter Weise polare Koordinaten anstelle davon verwendet werden. Zusätzlich können andere Lasing-Medien vorwendet werden, vorausgesetzt, dass die sich ergebende Wellenlänge, die Pulsdauer und die Pulswiederholungsrate innerhalb der entsprechenden Bereiche ist, die voranstehend aufgeführt wurden. Demzufolge sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht durch die spezifische dargestellte Ausführungsform beschränkt ist, sondern nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche.

Claims

1. Pulslaservorrichtung zum Bereitstellen einer sanften Abtragung von Hornhautgewebe von erzeugten Laserpulsen, wobei die Laservorrichtung Pulse mit einer Wellenlänge in dem Bereich von ungefähr 198-300 nm emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulse eine Dauer in dem Bereich von ungefähr 1-5000 Picosekunden aufweisen, wobei jeder Impuls der Laservorrichtung eine Abtragungstiefe von ungefähr 0,2 um oder weniger bereitstellt und eine Abtragungsenergiedichte von weniger als oder gleich zu ungefähr 10 mJ/cm² aufweist.

2. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abtragungsstiefe jedes Laserpulses ungefähr 0,05 um oder kleiner ist.

3. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei das Lasermedium des Lasers aus der folgenden Gruppe gewählt ist: Ti-dotiertes Al&sub2;O&sub3; (50), Alexandrit, Smaragd, CR:LiCaF, Cr:LiSrF, Cr:Fosterit, Farbmittenlaser, oder Edelerden-Ionenlasermedien in einem Festkörperkristall-Host.

4. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei der Laser bis zu ungefähr 50. 000 Pulsen pro Sekunde emittiert.

5. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, ferner umfassend eine Einrichtung zum Positionieren (132) der Laserpulse innerhalb eines gewählten Gebiets.

6. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, ferner umfassend eine Einrichtung zum Bestimmen der Position (128) der Laserpulse innerhalb eines Gebiets.

7. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Einrichtung zum Bestimmen der Position (128) der Laserpulse innerhalb eines Gebiets eine Photodetektoreinrichtung (304) zum Bestimmen der zweidimensionalen Position eines einfallenden Lichtimpulses einschließt.

8. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Einrichtung zum Verringern des Durchmessers (300, 302) des einfallenden Lichtimpulses.

9. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Laserpulse eine nicht abgelenkte Position aufweisen, und ferner umfassend eine Einrichtung zum Vergrößern der Ablenkung des einfallenden Lichtpulses.

10. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, ferner umfassend eine Einrichtung zum Steuern des Durchmessers (106, 200, 202) der Laserpulse.

11. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Einrichtung zum Steuern des Durchmessers (106, 200, 202) der Laserpulse eine motorisierte Zoomlinse (106) ist.

12. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, ferner umfassend eine Einrichtung zum Bestimmen des Durchmessers (124) der Laserpulse.

13. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Einrichtung zum Bestimmen des Durchmessers (124) der Laserpulse einschließt:

a. eine Einrichtung zum Vergrößern des Durchmessers (200, 202) eines einfallenden Lichtimpulses;

b. eine Einrichtung zum Richten wenigstens eines Teils der Lichtenergie der Laserpulse durch die Pulsdurchmesser-Vergrößerungseinrichtung;

c. eine Abbildungseinrichtung (204) zum Bestimmen des Durchmessers eines einfallenden Lichtpulses von der Pulsdurchmesser-Vergrößerungseinrichtung.

14. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 13, ferner umfassend eine Einrichtung zum Bestimmen des Intensitätsprofils (204) der Laserpulse.

15. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, ferner umfassend eine Einrichtung zum Steuern der Intensität (112) der Laserpulse.

16. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Einrichtung zum Steuern der Intensität der Laserpulse ein elektro-optisches Filter einschließt.

17. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 16, wobei das elektro-optische Filter eine Pockels-Zelle (36) und einen Polarisierer (40) einschließt.

18. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, ferner umfassend eine Einrichtung zum Bestimmen der Intensität (118) der Laserpulse.

19. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Einrichtung zum Bestimmen der Intensität (118) der Laserpulse einschließt:

a. eine Photosensoreinrichtung zum Bestimmen der Intensität eines einfallenden Lichtpulses;

b. eine Einrichtung zum Richten wenigstens eines Teils der Lichtenergie der Laserpulse an die Photosensoreinrichtung.

20. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, ferner umfassend eine Einrichtung zum steuerbaren Abblocken (124) der Laserpulse von dem Material.

21. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Einrichtung zum gesteuerten Abblocken der Laserpulse von dem Material eine Pockels-Zelle (36) und einen Polarisierer (40), konfiguriert als ein steuerbares Lichtventil, einschließt.

22. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 1 und irgendeinem Anspruch, der davon abhängt, wobei die Laserpulse in der Wellenlänge auf den Bereich von ungefähr 198-300 nm von wenigstens einem Wellenlängenwandler (108, 110) umgewandelt werden.

23. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Laserpulse um einen Verschwenkungspunkt von einer nicht abgelenkten Position ablenkbar sind, wobei der wenigstens eine Wellenlängenwandler (108, 110) einschließt:

a, wenigstens eine optische Wellenlängen-Umwandlungseinrichtung (502) zum Umwandeln der Grundwellenlängen von ursprünglichen einfallenden Laserpulsen in entsprechende Wellenlängen der zweiten Harmonischen;

b. eine erste Linse (A), die ungefähr in dem Abstand ihrer Brennweite von dem Verschwenkungpunkt der Laserpulse positioniert ist, zum Empfangen von einfallenden Laserpulsen und zum Orientieren des Einfallswinkels von derartigen Laserpulsen relativ zu einer ersten Oberfläche der wenigstens einen optischen Wellenlängen-Umwandlungseinrichtung (502) derart, dass der Einfallswinkel unabhängig von dem Ablenkungswinkel der Laserpulse konstant bleibt;

c, eine zweite Linse (B), die an ungefähr dem Abstand ihrer Brennweite von der wenigstens einen optischen Wellenlängen-Umwandlungseinrichtung positioniert ist, zum Empfangen von einfallenden Laserpulsen von der wenigstens einen optischen Wellenlängen-Umwandlungseinrichtung (502) und zum Orientieren von derartigen Laserpulsen derart, dass die Laserpulse nach einem Durchgang durch die zweite Linse (B) neu kollimiert werden;

d. eine Wellenlängen-Trennungseinrichtung zum räumlichen Trennen der Grundwellenlänge der ursprünglichen einfallenden Laserpulse von denen in der Wellenlänge umgewandelten Laserpulsen, die aus der zweiten Linse herauskommen.

24. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 23, wobei eine zweite optische Wellenlängen- Umwandlungseinrichtung (503) benachbart zu einer ersten optischen Wellenlängen- Umwandlungseinrichtung (502) ist.

25. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 23 oder Anspruch 24, wobei die erste Linse (A) und die zweite Linse (B) die gleiche Linse (A) sind, und ferner umfassend:

a. eine Reflexionseinrichtung (504), benachbart zu der Wellenlängen- Umwandlungseinrichtung (502, 503), zum Reflektieren von Laserpulsen, die von der Wellenlängen- Umwandlungseinrichtung (502, 503) herauskommen, zurück durch die Wellenlängen- Umwandlungseinrichtung (502, 503) an die Linse (A); und

b. eine angewinkelte Reflexionseinrichtung (506) zum Reflektieren von in der Wellenlänge umgewandelten Laserpulsen, die von der Linse (A) herauskommen.

26. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 23 bis 25, wobei die optische Wellenlängen-Umwandlungseinrichtung (502, 503) ein nicht-lineares optisches Kristall (502, 503) einschließt.

27. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 26, wobei das nicht-lineare optische Kristall (502, 503) Phasenanpassungswinkel aufweist, so dass eine einfallende Grundlaserwellenlänge innerhalb eines Bereichs von ungefähr 395-600 nm auf ihre zweite Harmonische einer Wellenlänge in dem Bereich von ungefähr 138-300 um umgewandelt wird.

28. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 26 oder 27, wobei das nicht-lineare optische Kristall (502, 503) Beta-Ba&sub2;BO&sub4; ist.

29. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 28, wobei die Laserpulse, die auf die wenigstens eine optische Wellenlängen-Umwandlungseinrichtung (502, 503) einfallen, über der Oberfläche der wenigstens einen optischen Wellenlängen-Umwandlungseinrichtung (502, 503) gescannt werden, wodurch die thermische Energie der Laserpulse über die Oberfläche der wenigstens einen Wellenlängen- Umwandlungseinrichtung (502, 503) verteilt wird und die Leistung, die in die wenigstens eine Wellenlängen-Umwandlungseinrichtung (502, 503) geladen wird, verringert wird.

30. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die Laserpulse eine nicht abgelenkte Position aufweisen, und ferner umfassend eine Einrichtung zum Erzeugen eines sichtbaren Führungsstrahls (132) koaxial zu der nicht abgelenkten Position der Laserpulse, zum Ausrichten der Laserpulse auf einer Hornhaut.

31. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 30, wobei die Einrichtung zum Erzeugen eines sichtbaren Führungsstrahls (132) einen Laser (800) mit niedriger Leistung einschließt.

32. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 30 oder Anspruch 31, wobei die Einrichtung zum Erzeugen eines sichtbaren Führungsstrahls (132) einer Einrichtung zum Erzeugen eines Lichtrings (808, 810), der im Durchmesser einstellbar ist, einschließt.

33. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 33, wobei die Einrichtung zum Erzeugen eines Lichtrings (808, 810) erste und zweite Axicon-Prismen (808, 810), die optisch ausgerichtet sind, einschließt.

34. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die Laserpulse eine nicht abgelenkte Position aufweisen, ferner umfassend eine Einrichtung, um die Ausrichtung der nicht abgelenkten Position des Laserpulses bezüglich der Hornhaut durch Verfolgen einer Bewegung (130) des zugehörigen Auges vorzuspannen.

35. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 34, wobei die Einrichtung zum Vorspannen der Ausrichtung der nicht abgelenkten Position des Laserpulses bezüglich der Hornhaut einschließt:

a. eine Anzeigeeinrichtung (400), die an dem Auge angebracht ist, zum Bereitstellen von sichtbaren Anzeigen der Bewegung des Auges;

b. eine Sensoreinrichtung (414) zum Erfassen der sichtbaren Anzeigen, die von der Anzeigeeinrichtung (400) bereitgestellt werden, und zum Bereitstellen von Steuersignalen im Ansprechen auf eine derartige Erfassung;

c. eine Strahlpositionierungseinrichtung (408, 409, 410), die mit der Sensoreinrichtung (414) gekoppelt ist, um die Ausrichtung der nicht abgelenkten Position der Laserpulse in Bezug auf die Hornhaut im Ansprechen auf die Steuersignale vorzuspannen.

36. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 35, wobei die Anzeigeeinrichtung (400) einen Vakuumaugenring (400) aufweist, der getrennte sichtbare lineare Augenpositions-Anzeigen (402, 404, 406) aufweist.

37. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 36, wobei die getrennten sichtbaren linearen Augenpositions- Anzeigen (402, 404, 406) einschließen:

a. wenigstens eine erste Linienanzeigeposition des Augenrings in einer X-Richtung;

b. wenigstens eine zweite Linie, orthogonal zu der wenigstens ersten Linie, die die Position des Augenrings in einer Y-Richtung anzeigt.

38. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 37, wobei die getrennten sichtbaren linearen Augenpositions- Anzeigen (402, 404, 406) ferner wenigstens eine radiale Linie (406), die eine Drehung des Augenrings anzeigt, einschließen.

39. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 37 oder 38, wobei die Sensoreinrichtung (416) einschließt:

a. einen ersten linearen Feldsensor (416, 418), orthogonal zu einem Bild jeder ersten Linie;

b, einen zweiten linearen Feldsensor (416, 418), orthogonal zu einem Bild jeder zweiten Linie.

40. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 39, wobei die Sensoreinrichtung ferner einen dritten linearen Feldsensor (420), orthogonal zu einem Bild jeder radialen Linie, einschließt.

41. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 35 bis 40, wobei die Strahlpositionierungseinrichtung wenigstens zwei orthogonale Reflexionsoberflächen (408, 410), positioniert durch steuerbare Stellglieder, einschließt.

42. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 35 bis 41, wobei die Strahlpositionierungseinrichtung eine optische Einrichtung (409) zum steuerbaren Drehen des Bilds eines einfallenden Laserpulses einschließt.

43. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Oberflächenprofils (136) der Hornhaut.

44. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 43, wobei die Einrichtung zum Bereitstellen eines Oberflächenprofils (138) der Hornhaut Steuersignale für die Einrichtung zum Positionieren der Laserpulse innerhalb eines gewählten Gebiets, die Einrichtung zum Steuern des Durchmessers der Laserpulse (114), und die Einrichtung zum Steuern der Intensität der Laserpulse (114) erzeugt, um eine Abtragung der Hornhaut auf gewählte Gebiete und auf gewählte Tiefen innerhalb der gewählten Gebiete zu begrenzen.

45. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, ferner umfassend:

a. eine Einrichtung zum Positionieren jedes der Laserpulse in Bezug auf eine Oberfläche des Materials, welches abgetragen werden soll; und

b. eine Einrichtung zum Abtragen der Oberfläche des Materials auf eine optisch glatte Endausgestaltung durch Aufbringen einer Vielzahl von Laserpulsen in wenigstens einer Schicht auf die Oberfläche, wobei die Laserpulse in jeder Schicht in einem regelmäßigen Muster positioniert werden und ein Ätzprofil in dem Material erzeugen.

46. Pulslaservorrichtung nach einem der Ansprüche 42 bis 44, ferner umfassend eine Einrichtung zum Bestimmen der Koordinaten des Hornhautgewebes, welches von der Oberfläche der Hornhaut entfernt werden soll.

47. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 45, wobei die Ätzprofile eine Gaus'sche Intensitätsverteilung aufweisen.

48. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 44, wobei die Ätzprofile eine Super-Gaus'sche Intensitätsverteilung aufweisen.

49. Pulslaservorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 45, 47 und 48, wobei das regelmäßige Muster jeder Schicht vorbestimmt ist.

50. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 49, wobei jede Schicht einen Ursprung aufweist und der Ursprung jeder Schicht nach der ersten Schicht von dem Ursprung der unmittelbar darunter liegenden Schicht versetzt ist, um so eine Glättung der Oberfläche des Materials zu maximieren.

51. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 50, wobei jede Schicht nach der ersten Schicht einen Ursprung an einem äquivalenten Versatzpunkt, definiert relativ zu dem Ursprung der ersten Schicht, aufweist.

52. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 51, wobei die Ätzprofile (700) einen ungefähr kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius r aufweisen, wobei jede Schicht (715, 716, 717, 718) ein im wesentlichen nicht-überlappendes, im wesentlichen angrenzendes Hexagonal-verpacktes Feld von Ätzprofilen (700) umfasst, wobei die Mitte von jedem Ätzprofil (700) in einer Schicht (715, 716, 717, 718) ungefähr um einen Abstand D, gleich zu 2r, von der Mitte jedes anderen Ätzprofils (700) in der Schicht (715, 716, 717, 718) beabstandet ist, wobei der Ursprung jeder Schicht von den Ursprüngen von darunter liegenden Schichten versetzt und an einem äquivalenten Versatzpunkt positioniert ist, um so den Maximalamplitudenzu-Durchgangsabstand in dem Gewebe, erzeugt durch die Vielzahl von Schichten (715, 716, 717, 718) von Ätzprofilen (700), zu minimieren.

53. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 52, wobei die Mitte jedes Ätzprofils (700) in einer Schicht (715, 716, 717, 718) ungefähr um einen Abstand D gleich zu 2r, von der Mitte jedes anderen Ätzprofils (700) in der Schicht beabstandet ist und wobei:

a. eine erste Schicht (715) einen Ursprung A aufweist;

b. eine zweite Schicht (716) einen Ursprung B1 aufweist, der an einem Punkt angeordnet ist, äquivalent zu einem Punkt ungefähr in der Mitte entlang einer Linie, die einen Ursprung A mit der Mitte eines ersten benachbarten Ätzprofils der ersten Schicht (715) verbindet;

c. eine dritte Schicht (717) einen Ursprung B2 aufweist, der an einem Punkt angeordnet ist, äquivalent zu einem Punkt ungefähr in der Mitte entlang einer Linie, die einen Ursprung A mit der Mitte eines zweiten benachbarten Ätzprofils der ersten Schicht (715) verbindet, wobei das zweite benachbarte Ätzprofil benachbart zu dem ersten benachbarten Ätzprofil ist;

d. eine vierte Schicht (718) einen Ursprung B3 aufweist, der an einem Punkt angeordnet ist, äquivalent zu einem Punkt ungefähr in der Mitte entlang einer Linie, die die Mitte des ersten benachbarten Ätzprofils und die Mitte des zweiten benachbarten Ätzprofils verbindet.

54. Pulslaservorrichtung nach Anspruch 50, wobei die Ätzprofile einen ungefähr kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius r aufweisen, und ferner umfassend:

a. eine Einrichtung zum Erzeugen eines Musters eines ersten Niveaus von Ätzprofilen auf der Oberfläche des Materials, wobei das Muster des ersten Niveaus eine Ätzschicht (715) mit einem Ursprung A umfasst und ein im wesentlichen nicht-überlappendes, im wesentlichen angrenzendes Hexagonal-verpacktes Feld von Ätzprofilen umfasst, wobei die Mitte jedes Ätzprofils um ungefähr einen Abstand D, gleich zu 2r, von der Mitte jedes anderen Ätzprofils in der Ätzschicht beabstandet ist;

b. eine Einrichtung zum Erzeugen eines Musters eines zweiten Niveaus von Ätzprofilen auf der Oberfläche des Materials, wobei das Muster des zweiten Niveaus drei Ätzschichten (716, 717, 718) umfasst, wobei jede Ätzschicht ein im wesentlichen nicht-überlappendes im wesentlichen angrenzendes hexagonal-verpacktes Feld von Ätzprofilen umfasst, wobei die Mitte jedes Ätzprofils um ungefähr einen Abstand D, gleich zu 2r, von der Mitte jedes anderen Ätzprofils in der Ätzschicht beabstandet ist, wobei:

(1) eine erste Ätzschicht (716) des Musters des zweiten Niveaus einen Ursprung B1 aufweist, wobei der Ursprung B1 ungefähr in der Mitte entlang einer Linie angeordnet ist, die den Ursprung A der Ätzschicht (715) des Musters des ersten Niveaus mit der Mitte eines ersten benachbarten Ätzprofils der Ätzschicht (715) des Musters des ersten Niveaus verbindet;

(2) eine zweite Ätzschicht (717) des Musters des zweiten Niveaus einen Ursprung B2 aufweist, wobei der Ursprung B2 ungefähr in der Mitte entlang einer Linie angeordnet ist, die den Ursprung A der Ätzschicht (715) des Musters des ersten Niveaus mit der Mitte eines zweiten benachbarten Ätzprofils der Ätzschicht (715) des Musters des ersten Niveaus verbindet, wobei das zweite benachbarte Ätzprofil benachbart zu dem ersten benachbarten Ätzprofil ist;

(3) eine dritte Ätzschicht (718) des Musters des zweiten Niveaus einen Ursprung B3 aufweist, wobei der Ursprung B3 ungefähr in der Mine entlang einer Linie angeordnet ist, die die Mitte des ersten benachbarten Ätzprofils und die Mitte des zweiten benachbarten Ätzprofils verbindet.