JP2015527147A

JP2015527147A - 透明な物質の内部においてレーザ切断を行うための装置

Info

Publication number: JP2015527147A
Application number: JP2015530295A
Authority: JP
Inventors: フォーゲルアルフレート; リンツノアベアト; フライダンクゼバスティアン
Original assignee: Universitaet zu Luebeck
Current assignee: Universitaet zu Luebeck
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2015-09-17
Anticipated expiration: 2033-09-02
Also published as: EP2705812A1; WO2014036995A2; EP2760622B1; EP2760622A2; CN104703563A; KR20150047615A; JP6005290B2; CN104703563B; US20150164689A1; US9795511B2; WO2014036995A3

Abstract

本発明は、透明な物質（２３）のためのレーザ切断装置に関する。このレーザ切断装置は、透明な物質（２３）内にあり、且つ、レーザ光（２）の入射方向に対して実質的に垂直に延びている所定の切断線又は切断面（２４）の上に位置する所定の複数のスポットに、レーザ光（２）を焦点合わせするように構成されており、レーザ光（２）のビーム路に進入可能及び該ビーム路から進出可能な、螺旋位相面（５）を有するレーザ光へのモード変換手段（３）を有している。

Description

本発明は、透明な物質内にあり、且つ、レーザ光の入射方向に対して実質的に垂直に延びている所定の切断線又は切断面の上に位置する所定の複数のスポットにレーザ光を焦点合わせするように構成されている、透明な物質のためのレーザ切断装置に関する。更に本発明は、生物学的な組織、特に生体の眼をレーザにより治療するための装置にも関する。

レーザによる物質の処理において良質な結果を得るためには、少量のエネルギを局所的にデポジットないし堆積させることが必要になる。レーザ光に対して透過性の物質、例えばガラス、石英、水、無色素の人体組織又は細胞においては、プラズマ（電子とイオンが混ざっている物質内の準自由電荷キャリア）を発生させる多光子イオン化及びアバランシェイオン化の形態の多光子プロセスによってのみ、局所化されたエネルギデポジットを行うことができる。多光子プロセスの発生はレーザ光強度に非線形に依存するので、これは「非線形吸収」と呼ばれる。また、プラズマ発生率は物質及びレーザパラメータに依存する閾値を上回ると極めて大きく上昇するので、そのようなパラメータ範囲でのプラズマ発生プロセスは「オプティカルブレークダウン」とも称される。

非線形の吸収による極めて精確な物質処理では、空間的に局所化されている再現可能な少量のエネルギを物質に注入（デポジット）できなければならない。良好な空間的局所化は、何よりも、開口数が大きく且つ収差のないレンズを用いてレーザパルスを焦点合わせすることによって達成される。

透明な物質において切開が行われる場合、レーザビームの入射方向に沿って行われるのではなく、入射方向に対して所定の角度を付けて行われる切断ガイドが所望されることが多い。それどころか、透明な媒体の表面に対して平行又はほぼ平行に配向されている切断面を形成するために、切開は入射方向に対して垂直又はほぼ垂直に行われるべきである。切断線が形成されるだけでなく、物質の層を剥離するために、物質の表面に対して実質的に平行である切断面に沿って切断が二次元に実施されることが多い。このケースは、例えば、角膜切削剥離焼灼矯正手術（Laser-in-situ-Keratomileusis、略してＬＡＳＩＫ）において生じる。

実際の切断ガイドに関しては、焦点合わせされた複数のレーザパルスが隣接して点パターンとして供給される。各点パターン（以下ではスポットとも記す）ではプラズマが形成され、このプラズマが焦点体積内の透明な物質を崩壊させ、またエネルギ密度が十分に高い場合にはミクロ爆発が生じ、このミクロ爆発は空所（又は、液体若しくは生物学的な組織における一過性の空洞気泡）を生じさせる。

その都度有効な切断メカニズムは、パターン点の間隔及びプラズマのエネルギ密度に依存する。エネルギ密度はレーザパルスエネルギと、オプティカルブレークダウンに関する、物質に依存する閾値とによって決定される。物質に依存する閾値自体は、焦点合わせされるレーザビームの、レーザパルス持続時間、レーザの波長、レーザビームの品質及び収束角（開口数）に依存する。その他の照射パラメータが同一であれば、レーザパルスエネルギを変更することによって、プラズマエネルギ密度を広範に調整することができる。

切断メカニズムは二種類に分類することができ、それらは一般的に崩壊モード並びに分割モードと称される。

崩壊モード：エネルギ密度及び電子密度が低いレーザプラズマが形成される場合、レーザ焦点においては、自由電子が結合解離によって物質を崩壊させる。この崩壊に伴い、物質の蒸発又は分解も生じる。生物学的な組織における物質の溶解により、例えば数ミリ秒から数秒までの範囲の寿命を有する気泡が生じる。この気泡は、確かに切断効果に寄与するものではないが、しかしながら、物質の溶解に関する指標として使用することができる。焦点体積が重畳しており、且つ、結合解離の密度が十分に大きい場合には、関連性のある繋がった切断面を形成することができる。個々のパルスエネルギは低いが、関連性のある物質層の崩壊には、多数のレーザパルスの蓄積作用が必要になり、従って総エネルギは比較的に高くなる。

分割モード：分割モードにおいては、複数の焦点から成るパターンにおける横方向の間隔Ｄが、焦点直径ｄよりも大きく選定され、その値は通常の場合、約６〜１０μｍである。この分割モードでは、プラズマのミクロ爆発の効果、並びに、プラズマによって形成される一過性の複数の空所（空洞気泡）の一体化によって、関連性のある切断面を形成することができる。空所を形成するためには、崩壊モードに必要とされるエネルギ密度よりも高いエネルギ密度のプラズマが必要となる。層状の構造を有する物質（例えば眼の角膜基質）では、複数の空所の一体化による切断面の形成が容易になる。つまり切断プロセスは、レーザによって形成される空洞気泡の拡大によって惹起される分割プロセスであり、その種の分割は有利には機械的な脆弱個所に沿って生じる。このような分割に類似するものとして、局部的な機械的作用に基づくスレート板の分割、又は、節を有していない木材を斧によって繊維方向に沿って割ることが挙げられる。分割モードにおいては、ミクロ爆発を生じさせるために必要とされる個々のパルスのエネルギが、崩壊モードにおいて必要とされる個々のパルスのエネルギよりも大きいにもかかわらず、通常の場合、必要とされる総エネルギは崩壊モードにおける総エネルギよりも低い。何故ならば、関連性のある物質層の凝集状態を変化させる必要はなく、その代わりに、物質の脆弱個所に沿った機械的な分断が行われ、従って、必要とされる個々のパルスの数が少なくて済むからである。相応に、物質の損失も崩壊モードにおける損失よりも少なくて済む。

いずれの切断メカニズムにおいても、切断精度はレーザプラズマの長さによって決定的な影響を受け、またこのレーザプラズマの長さ自体はレーザ焦点の長さに依存する。焦点直径ｄ及び焦点長さｌは、切断対物レンズの開口を完全に利用した場合には次式によって与えられる：

ここでλは使用されるレーザ光の波長を表し、ＮＡは切断対物レンズの開口数を表し、この開口数は、式ＮＡ＝ｎｓｉｎα（ｎは光が焦点合わせされる媒体の屈折率）によって半分の開口角αに関連付けられている。プラズマ形成の閾値では、プラズマの長さは焦点の長さｌとほぼ同じになり、またレーザパルスエネルギが上昇すると長くなる。切断精度は、ビーム方向における切断の局所化及び切断幅によって規定され、これら二つの条件はいずれもプラズマの長さと関連付けられている。式（２）から分かるように、開口数が大きくなるか、又は波長λが小さくなると、切断精度が向上する。

現在市販されている角膜切削剥離焼灼矯正手術用のフェムト秒レーザシステムは、１０３０ｎｍから１０６０ｎｍの間の近赤外線の波長で動作する。このシステムでは、切断精度の向上が主として、ＮＡを大きくすることによって試みられている。択一的に、紫外線レーザビームを使用することも考えられる。その場合、波長は赤外線フェムト秒パルスに比べて約１／３まで短くなり、従って式（２）に従い、切断精度は著しく改善される。

刊行物EP 1 787 607 A1においては、約１９０ｎｍから約３８０ｎｍの間の波長を有するパルスＵＶ光をＬＡＳＩＫ治療に使用することが提案されており、そこでは、赤外線フェムト秒パルスから、周波数倍化によってＵＶパルスが形成されており、そのＵＶパルスは最大で１０ｐｓまでのパルス持続時間を有している。EP 1 787 607 A1には、約１０ｎＪ程度のパルスエネルギ及び１００ｋＨｚから５００ｋＨｚの間の繰り返し率を有するＵＶパルスが、一方では角膜組織を精確に切断し、他方では角膜又は水晶体においてほぼ完全に吸収されることが開示されている。残留透過によって網膜にエネルギが供給されることは実質的に回避されているとみなされる。もっとも、ＵＶ放射の範囲での組織の光化学的な変化が不所望な二次作用として生じることについては何ら言及されていない点は注意が必要である。

刊行物DE 10 2007 028 042 B3には、レーザを用いた透明な物質の非常に精密な処理が時間的に平滑化された紫外線ナノ秒パルスで実現されることが記載されている。特に、３５５ｎｍの波長及び０．７ｎｓのパルス持続時間を有するレーザパルスを、角膜においてＬＡＳＩＫフラップを形成するために利用することができ、その際、角膜は分割モードで切断される（Vogel A, Linz N, Freidank S, Faust S, Schwed S著 (2011b) LASIK Flaperzeugung mit UV Subnanosekundenpulsen. Der Augenspiegel 12,2011 : 32-35）。このアプローチの利点は、ファイバ補強されたマイクロチップレーザによってＵＶレーザ光を直接的に形成できることであり、これによってコストの低下が大いに期待される。更に、ナノ秒パルスが使用される場合にはピーク出力が比較的低いことから、フェムト秒パルスを用いる場合よりも、非線形の伝播効率及びフィラメント化を良好に回避することができる。

US 2005/245915 A1には、赤外線フェムト秒パルスレーザを用いて生体の眼の角膜基質組織のドーム状の切断面に沿って切断を実施するための方法が開示されている。切断面は角膜表面に対して実質的に並行であり、またそれと同時に、レーザビームの入射方向に対して実質的に垂直である。複数の焦点部位のパターンが予め決定され、各スポットにおいて気泡が所定の直径で形成される。つまり、レーザ焦点直径は気泡直径以下である。各スポットは、隣接する気泡に対して、気泡直径にほぼ等しい間隔を（入射方向に対して垂直な方向において）有している。この刊行物から読み取れる範囲では、レーザによる切断が崩壊モードではなく、冒頭で述べたような分割モードで行われている。

特に入射方向に沿った、より精確で鮮鋭に局所化された切断面を達成するための、例えばUS 2005/245915 A1によるスポットパターンと、DE 10 2007 028 042 B3による紫外線処理レーザとの組み合わせは、確かに、生物学的な組織の処理に対しても効果を奏することが分かっている。しかしながら、ＵＶレーザの著しく低減された焦点直径は、個々のパルスエネルギが一定であれば、より高いパターン点密度を必要とし、従って、面状の切断のためにデポジットすべき総エネルギは赤外線フェムト秒パルスレーザを使用する場合よりも遙かに高くなる。相反性の法則（Bunsen-Roscoeの法則）に従って、ＵＶにより誘起され得る光化学的な二次作用の範囲が総照射線量（Ｊ／ｃｍ²）でスケーリングされるので、上記のように総エネルギが高くなることによって、特に生体組織にとっては、線量の問題も生じる。

光機械的な二次作用を最小限に抑えつつ、それと同時に高速な切断速度及び高い切断精度を達成することは、一般的に競合する目標を設定することを意味し、またＵＶレーザが使用される場合には、更に光化学的な二次作用も最小限に抑えなければならない。高速な切断速度にはレーザパルスの高繰り返し率の他に、大きいパターン点間隔も必要とされる。このパターン点間隔が大きくなるほど、それと同時に総切断エネルギは一層低下し、従って光化学的な作用も回避される。しかしながらパターン点間隔を過度に大きく選定してしまうと、切断精度が損なわれないように個々のパルスのエネルギを高める必要が生じ、またレーザによって形成される衝撃波及び空洞気泡の機械的な作用によって、起こり得る二次作用の範囲が拡大してしまう。同様の不利な作用は、一定のパターン点間隔において焦点直径が著しく縮小された場合、つまり、分割距離を所要の長さまで延長するために個々のパルスのエネルギを高めなければならない場合にも生じる。

このような背景から、レーザ焦点又は形成されるプラズマの成形が改善されるべきである。

従来技術からは既に、透明な物質においてレーザを用いてその物質を処理するための焦点成形方法が多数知られている。それらの焦点成形方法は一般的に焦点を延長することが試みられており、また可能であれば、それどころか横方向の直径の短縮も実現しようとしている。つまり例えば、ガウスビームに比べて大きく拡大された焦点領域を形成するために、ガウスビームの代わりにベッセルビームが使用されている（McGloin D, Dholakia K著 (2005) Bessel beams: Diffraction in a new light. Contemp. Phys. 46:15-28）。その限りにおいて、ベッセルビームは、例えばＬＡＳＩＫにおけるフラップ形成時の縁部切断の場合のような、レーザの入射方向における切断ガイドの最適化に適している。

透明な媒体におけるフィラメント化及び非線形のビーム伝播（形成されたプラズマによる自己焦点合わせ）によって、プラズマの長さを拡大することもできる。このことは、大きいアスペクト比を有するチャネル及び孔を形成し、また延長されたプラズマ作用を生じさせるために利用される（Ashkenasi D, Varel H, Rosenfeld A, Henz S, Herrmann J, Cambell EEB著 (1998) Application of self-focusing of ps laser pulses for three-dimensional microstructuring of transparent materials. Appl. Phys. Lett. 72:1442-1444）。

高出力のレーザパルスが使用され、また切断方向がレーザビーム方向に対して実質的に垂直に延びる場合には、非線形のビーム伝播及びフィラメント化による焦点の延長が可能な限り回避されることが多い。焦点の延長による切断ガイドの障害はフェムト秒ＬＡＳＩＫ法に関して記述されている（Arnold CL, Heisterkamp A. Ertmer W, Lubatschowski H著 (2004) Streak formation as side effect of optical breakdown during processing the bulk of transparent Kerr media with ultra-short laser pulses. Appl. Phys. B 80:247-253）。

いわゆるボルテックスビームは、焦点合わせ角度が等しければ、ガウスビームよりも大きい焦点断面積を有している。それによって、ボルテックスビームはガウスビームよりも少なくとも４倍高い自己焦点合わせ閾値を有している（Vuong LT等著 (2006) Collapse of optical vortices. Phys. Rev. Lett 96:133901 (4pp)）。従って「ボルテックス（螺旋：Vortex）ビーム」の名称は、強度分布が光学軸上で０であり、且つ、その特異性を電磁場における渦と解せることに由来する。光のラゲールガウス（ＬＧ）伝播モードはこの特性を有しており、その際、基本モードはＬＧ（０，１）で表される（Yao及びPadgett著 “Orbital angular momentum: origins, behavior and applications”, Advances in Optics and Photonics 3, 161-204 (2011)）。

ＬＧモードは、螺旋状の位相面を有する光（helically phased beam）を形成することができる、モードの完全なセットを形成する。個々の螺旋光子は角運動量を運ぶ。螺旋型位相板（「spiral phase plate」）、特別に形成されたコンピュータ生成回折格子（「diffractive optical element」、「サブ波長構造」と称されることも多い）、電子制御可能な空間光変調器（「spatial light modulator」）又はシリンダレンズ装置に非螺旋ビームを通過させることによって、非螺旋レーザ光（通常の場合はガウスビームであるが、これに限定されるものではない）から螺旋レーザ光を形成することができる。（Yao及びPadgett著 “Orbital angular momentum: origins, behavior and applications”, Advances in Optics and Photonics 3, 161-204 (2011)）。しかしながら、非螺旋レーザ光を螺旋レーザ光へとモード変換するための上述の手段は、製造が困難で、限定的なレーザ出力にしか適していないか（例えばプラスチックから成る位相板及び回折格子は、構造化された金属化部として又は液晶マトリクスとして実現されている）、又は、非螺旋光に対して、物質を処理するための従来のレーザ光源では満たされない要求（例えば所定の比較的高次のガウスモードの発生）を課す。

それにもかかわらず、高出力レーザ用途のための効率的なモード変換は、石英ガラス又は光耐性のある複屈折材料から成る螺旋位相板によって達成することができる（Machavariani G, Lumer Y, Moshe I, Meir A, Jackel S著 (2007) Efficient extracavity generation of radially and azimuthally polarized laser beams. Opt. Lett. 32: 1468-1470）。

ラゲールガウス基本モードＬＧ（０，１）への理想的な変換は、光軸を中心にして０°から２πまで連続的に３６０°回転させた際に上昇する位相偏移を生じさせる光学素子によって達成されると考えられる。しかしながら、連続的な位相偏移を用いるその種の素子は、非常に高いレーザ出力に耐える材料からはまだ製造できていない。

従って、セグメント化された位相板を使用することによって理想的なケースに近付けられるが、その際、セグメントの個数が多くなるほど、より良好に、またより高い効率で理想的なケースに近付く。後段に接続されている空間周波数フィルタリング部によって、セクタ境界において散乱された光を除去することができ、また理想的なラゲールガウス（０，１）モードに非常に近付く焦点強度分布を形成することができる（Machavariani等著 2007）。

更に別の従来技術として、Junichi Hamazaki等の論文「Optical-vortex laser ablation」OPTICS EXPRESS, Bd. 18, Nr. 3, S. 2144 ff. （2010）が挙げられる。Hamazaki等は、処理平面にリング状（「環状」）の光強度分布を有する個々のレーザパルスを用いる、タンタルプレートにおけるレーザアブレーションについて研究を行っている。このために、ガウスレーザ光は、螺旋型位相板によってボルテックスビームに変換されるか、又は、空間ノッチフィルタ（ＳＮＦ：spatial notch filter）によって偏向され、それによって「光渦ではない円環状ビーム（ＮＶＡＢ：non-vortex annular beam）」が生じる。いずれのタイプのビームも物質の除去に使用され、また処理表面の達成された品質がそれらのケースに関して比較される。ボルテックスビームは、固体におけるレーザアブレーションにとって有利であることが分かっている。

しかしながら、Hamazaki等の研究では、レーザ光によるエネルギ供給は固体表面における線形の吸収によって行われ、処理平面の遙か後方に位置するレーザ焦点においては行われない。即ち、ＮＶＡＢのリング状の強度分布は、焦平面の手前のフレネル回折像においてのみ現れ、遠視野回折像においては現れない。そこでは、強度最大値が光斑の中心に存在し、またスポット直径が比較的小さいことから、全体として光強度はより高くなる。その理由として上記の論文の第２１４６頁の第３段落には「Since NVAB is not an eigen-solution of the paraxial equation, the dark spot in the center disappears in the focal plane（ＮＶＡＢは近軸方程式の固有解ではなく、中心部におけるダークスポットは焦平面に現れる）」と記載されている。

その限りにおいて、この論文に記載されているアブレーション時のボルテックスビームの多くの長所からも、レーザ焦点において物質を処理すること、特に透明な物質内で切断ガイドを行うことは導き出せない。

US 2008/243108 A1からは、光凝固術又は虹彩切開術のためのレーザ治療システムが開示されており、このレーザ治療システムでは、均一な強度分布（「トップハット」）を有するビームプロファイル又はリングのような形状の強度分布を有するビームプロファイルを提供しながら、それと同時に、処理すべき組織上でスポット直径を選択できるようにするために、複数の回折光学素子（ＤＯＥ：diffraction optical elements）を備えている付加的な装置が開示されている。ＤＯＥは、事前に拡大及び視準されたレーザビームを干渉によって成形する回折構造と解される。それらのＤＯＥをユーザの選択に応じて、例えば全てのＤＯＥが回転可能なディスクの縁部領域に配置されている場合には、例えばステッピングモータの電気的な制御を介してガウスビームのビーム路に切換配置することができる。ここでもまた、エネルギ供給は線形の吸収によって行われており、また処理平面は焦平面とは一致していない。

ＤＯＥによるビーム成形によって（Hamazaki等が研究しているＮＶＡＢの場合と同様に）ビーム方向に沿ってビームプロファイルが必然的に変化するので、US 2008/243108 A1に記載の装置は透明な物質内でのレーザ切断には適していないと考えられる。最大強度が焦平面に位置していることは確認できず、むしろ、焦平面の前後において同等に高い強度の多数の領域（ホットスポット）を考慮しなければならず、このことは所定の深さでの精確な切断ガイドを実施するという目的とは矛盾する。焦平面外には「ホットスポット」を有していない光分布は、ビームプロファイルが伝播方向に沿って一定に維持される光伝播モードでのみ達成することができる。そのような光伝播モードとしてガウスモード又はラゲールガウスモードが挙げられるが、しかしながらＤＯＥによって生じる光分布はこれに該当しない。

US 2005/245915 A1に記載されている、透明な物質のためのレーザ切断装置は本発明に類似する従来技術とみなされる。このレーザ切断装置は特に、レーザ光を透明な物質内で焦点合わせし、多光子プロセスによって、物質の処理が行われるべきレーザ焦点にプラズマを発生させるように構成されている。

本発明の課題は、透明な物質のためのレーザ切断装置を改良し、従来技術において必要とされるものよりも少ないパターン点又は少ない総吸収線量で、レーザ光の入射方向に対して実質的に垂直に延びている切断線又は切断面に沿った、物質内でのレーザ切断を精確に実施できるようにし、それによって光化学的な二次作用及び光機械的な二次作用を回避できるようにすることである。

この課題は、透明な物質内にあり、且つ、レーザ光の入射方向に対して実質的に垂直に延びている所定の切断線上又は切断面上に位置している、所定の複数のスポットにレーザ光を焦点合わせするように構成されており、且つ、レーザ光のビーム路に進入可能又はビーム路から進出可能な、螺旋状の位相面を有しているレーザ光へのモード変換を行うための手段を有している、透明な物質のためのレーザ切断装置によって解決される。

従属請求項には有利な構成が開示されている。

本発明者の知る限りにおいて、螺旋状の位相面を有するレーザ光（以下では螺旋レーザ光とも記す）を、透明な物質内での切断を実施するために使用することはいまだ提案されていない。また、やはり本発明者の知る限りにおいて、螺旋レーザ光を医学療法、特に眼のレーザ処理に使用することは提案されていない。

螺旋レーザ光は光学的な渦を常に有しており、従って、典型的なボルテックスビームである。本発明の本質を成すものと認められる螺旋レーザ光の特性として、螺旋レーザ光の焦点合わせによってトーラス状の光強度分布が生じ、またその結果として、ガウスビームの焦点断面よりも大きく、且つ、やはりトーラス状の領域にプラズマが形成されることが挙げられる。

直線偏光レーザビームの焦点領域と比較した、アジマス偏光レーザビーム（螺旋レーザ光の例）の焦点領域における強度分布の例が図１から見て取れる（Hao X, Kuang C, Wang T, Liu X著 (2010) Effects of polarization on the de-excitation dark focal spot in STED microscopy. J. Opt. 12:115707 (8pp)）。直線偏光ビームにおける値に比べて焦点の直径が約２〜３倍に拡大されており、これに対し、焦点長さは実質的に変化していないことが見て取れる。

本発明の基本思想は、直線偏光ガウスビームに比べて少なくとも２倍の焦点直径をほぼ同じ焦点長さで形成すること、従って、個々のパルスエネルギを高める必要なく、より大きいスポット間隔を達成することにボルテックスビームが適しているということである。そのようなボルテックスビームによって切断速度が向上し、また、悪影響を及ぼす機械的な二次作用が回避され、更には、生体組織を処理するためにＵＶレーザ光が使用される場合には、許容可能な照射線量を超過することが回避される。

公知のように、従来の直線偏光ガウスビームのビーム路に進入して（例えばアジマス偏光された）ボルテックスビームを形成する光学素子を製造することは可能である。本発明によれば、以下では螺旋レーザ光へのモード変換手段（又は略してモード変換手段）とも記すその種の光学素子は、必要に応じてレーザのビーム路に進入することができ、且つ、ビーム路から進出することができるように装置内に配置されている。そのようにして、レーザ切断装置は、ユーザの選択に応じて、多数の焦点形状を提供することができる。

従って、従来の処理レーザビーム（例えばガウスビーム）をレーザ切断装置の使用中に、有利にはセグメント化された位相板の進入によって、非常に簡単にボルテックスビームに変換することができ、これによってレーザ焦点直径を直接的に少なくとも２倍にすることができる。そのようにして拡大された焦点を用いることによって、入射方向に対して実質的に垂直である、即ち達成すべき焦点拡大の方向に実質的に沿っている切断線又は切断面の所定のパターン点において物質を分解することができる。レーザ切断が実施されると、（その時点において位相板を取り除くことによって）ボルテックスビームを再び通常のビームに変換することができる。

択一的に、処理レーザビームを駆動制御可能な少なくとも一つの偏向ミラーを介して偏向させることも可能であり、その場合、少なくとも一つの偏向ミラーはその駆動制御に応じて、レーザ光のビーム路を誘導してモード変換手段を通過させるか、又は、モード変換手段を通過しないようにレーザ光のビーム路を誘導する。

焦点直径の拡大によって、崩壊モードにおいても分割モードにおいても、切断を実施するためには少数のパターン点しか必要とされず、それによって基本的に切断速度が上昇することによって、ビーム路に進入可能及びビーム路から進出可能な本発明によるモード変換手段は既に、各レーザ波長に関して、入射方向に対して実質的に垂直な切断の実施を支援している。

本発明はＵＶレーザにとって非常に有利であり、特に本発明が生体組織における切断に使用される場合には極めて有利である。特に有利には、本発明によって生体の眼のレーザ処理も３００ｎｍから４００ｎｍの間の波長で行うことができ、それと同時に照射線量も最適化することができ、少なくとも照射線量を所定の閾値以下に抑えることができる。

本発明の別の有利な用途は、超短波ＩＲレーザパルスを用いてＬＡＳＩＫフラップを形成する際並びに水晶体を分割する際の非線形の放射伝播によって場合によっては生じる焦点延長の抑制である。水晶体の分割のために、比較的弱く焦点合わせされたエネルギの高いレーザパルスが使用されるので、フィラメントが非常に生じやすくなる。ボルテックスビームを使用すると自己焦点合わせ閾値が少なくとも４倍高くなるので、軸方向におけるエネルギデポジットをより良好に局所化することができ、従って、水晶体嚢が保護され、また網膜上に照射線量の局所的な最大値が生じることも回避される。

更に、本発明によるレーザ切断装置の有利な実施の形態では、レーザ切断装置が単位面積あたりの照射線量を求める装置を有しており、この装置は、レーザ光源の照射パラメータ及び所定のスポット位置を検出し、そこから線量を計算して出力する。レーザ切断装置の更に有利な実施の形態において、単位面積あたりの照射線量を求めるための装置は、線量値が所定の閾値を上回ったときに、レーザ光源の照射パラメータを自動的に変更する、及び／又は、より大きいスポット間隔を有するスポット位置を事前決定するように構成されている。その種の装置として、プログラミング可能なマイクロプロセッサが考えられ、有利には、走査装置の制御装置とのデータ交換を行うインタフェースを備えており、また必要に応じてレーザ光源も備えているＰＣが考えられる。一般的には、単一のコンピュータシステムがレーザ切断システムの全てのコンポーネントの機能を監視及び制御する。その種のコンピュータシステムにおいては、照射線量を求めるための装置をソフトウェアの形態で実現することができる。

本発明は確かにより広範で多彩な用途を提供するものであるが、角膜切削剥離焼灼矯正手術（ＬＡＳＩＫ）、皮目（lenticel）を切り取ることによる、フラップを形成しない屈折補正、層状角膜移植及び／又はレーザ白内障手術に使用される場合には特に有利である。更に、本発明は線量の問題の解決手段を提供するので、本発明はＵＶレーザシステムを眼の屈折手術へ導入するための基準となるコンセプトを提供するものであると見なせる。

以下では添付の図面に基づき本発明を詳細に説明する。

直線偏光レーザビームの焦点形状（上図、図１ａ）と、アジマス偏光レーザビームの焦点形状（下図、図１ｂ）とを対比したものを示す。モード変換のための一つの考えられる手段として、レーザのビーム路に進入させることができる、セグメント化された位相板を示す。摘出された豚の眼において、ＵＶレーザシステムを用いて切断ガイドが成功した際のレーザエネルギに関する測定値、特に、個々のパルスエネルギ（上図、図３ａ）及び総線量（下図、図３ｂ）が、使用されるスポット間隔との関係でプロットされている。ロッド状のレーザ焦点（図４ａ）及びディスク状のレーザ焦点（図４ｂ）が生じるようにレーザをデポジットさせた際の、層状に重なっている物質の分割を示す。進入可能なモード変換手段を備えている本発明による装置（図５ａ）及びビーム路を選択するための駆動制御可能な偏向ミラーを備えている本発明による装置（図５ｂ）の概略図を示す。

上記において既に説明したように、例えばガウスビームプロファイルを有する、直線偏光レーザビームにモード変換手段を進入させることによって、必然的にボルテックスビーム（ここではアジマス偏光ビーム）が生じる。このボルテックスビームが透明な物質に焦点合わせされると、図１の下側に示したようなドーナツ形の焦点体積が生じる。ここでは入射方向がｚ軸に沿って延びている。比較のために、ビーム路に進入される光学素子を用いない場合のレーザの焦点が図１の上側に示されている（いずれの画像もHao等著 (2010)から引用した）。右側の二つの画像にはｘｚ平面が示されており、従って、ｚ方向に沿った焦点長さが示されており、この焦点長さはガウスビームにおいてもボルテックスビームにおいても殆ど差異はない。これに対して左側の二つの画像からは、ｘｙ平面にでは、入射方向に対して垂直な方向において、焦点直径がボルテックスビームでは２倍以上になっていることがはっきりと見て取れる。ボルテックスビームの中心の特異性は、切断に及ぼす影響に関しては一般的に重要ではない。物質は焦点において分解されるか又は少なくとも分割されるので、従って物質は円盤状又はディスク状の体積で破壊される。そのような破壊が行われる根拠として、ディスク状のレーザ焦点についても説明が必要である。

ディスク状の焦点は光学素子を進入させることによって非常に簡単に形成することができる。例えば、セグメント化された位相板、有利には複屈折石英ガラスから成り、且つ、個々のセグメントにおいて結晶光学軸が異なる配向を有している位相板を使用することができる（図２）。結晶内で緩慢に伝播する光の伝播方向の各配向は図２において矢印の向きによって示唆されている。

個々のセグメントは相互に接着されており、また接着剤はＵＶ光の影響を受けて劣化する可能性があることを言及しておく。従って、非常に高出力の短パルスＵＶレーザビームのためのセグメント化された位相板は依然として開発段階にある。しかしながら本発明者の実験室におけるＵＶ耐性に関する最初のテストの結果は今後成功が期待されるものであった。

つまり、ＵＶ劣化による接着層の顕著な損傷に関して、約３×１０⁶（３００万）Ｊ／ｃｍ²の損傷閾値が求められた。予定されている用途において、１０ｍｍの直径のモード変換器の面が約１０μＪの個々のパルスで均一に照射される場合を仮定すると、この閾値に達するまで約２．４×１０¹¹個のパルスを供給することができ、これは１５０ｋＨｚの繰り返し率において約４４０時間の寿命に相当する。

ＬＡＳＩＫフラップを形成するための医療機器においては、レーザ出射部におけるシャッタによって、位相板の使用時間が眼の被照射時間と等しくなることを保証することができる。片眼あたりの平均切断時間は３０秒以下なので、位相板の期待される寿命の間に５２，８００個分の眼を治療することができる。両眼を治療するために患者一人につき約１５分の治療時間を要すると仮定した場合、位相板は約５年を経過したときになって初めて交換が必要になる。

本発明者の知る限りでは、透明な物質のためのレーザ切断装置において、螺旋レーザ光によって意図的に拡大された焦点を使用することはこれまで提案されていない。拡大された焦点の使用によって一般的に所望される横方向の切断精度は低下するので、当業者といえども、レーザ切断装置においてそのような焦点を使用することに容易に想到できるものではない。しかしながら、入射方向に対して実質的に垂直に配向されている線又は面に沿って切断が実施される場合には、横方向の切断精度は余り重要ではなく、むしろ軸方向の切断精度が主に重要になる。本発明によれば、克服すべき分割距離を短縮することによって、切断ガイドがより一層切断平面の領域に限定されることになるので、軸方向の切断精度が改善される。

以下では、螺旋レーザ光と、それと共に形成されるディスク状のレーザ焦点とによって、総照射線量及び切断精度に関して達成される種々の利点を説明する。

崩壊モードにおける切断では、スポット間隔Ｄは焦点直径ｄよりも小さくなるが、これに対して分割モードにおける切断では、スポット間隔Ｄは焦点直径ｄよりも大きくなる。崩壊モードにおける切断から分割モードにおける切断に移行すると、レーザパルスの供給時に形成される切断面の半径は、焦点直径の半分ｄ／２にちょうど一致する。焦点間隔Ｄ＞ｄの場合には、分割によってその都度、距離（Ｄ／２−ｄ／２）＝（Ｄ−ｄ）／２を超えなければならない。このために必要となる機械的な作用は、レーザ誘起衝撃波のエネルギ及び空洞気泡によってもたらされる。この場合、面要素の切断に必要とされるレーザエネルギＥ_gasは、Ｄ及び個々のパルスエネルギＥ_Lに依存する。面要素あたりのレーザパルスの数はＤの二乗に比例して減少するので、パルスエネルギＥ_Lが一定であれば、

が成り立つ。しかしながら実際には、パルスエネルギは一定ではないので、従ってパルスエネルギは、隣接するパターン点間の距離を確実に分割によって超えるために十分な大きさを有している気泡が形成されるように選択されなければならない。分割によって実現される到達距離は気泡の最大半径Ｒ_maxによって推定することができる。但し、この最大半径Ｒ_maxは確実な分割のために、パターン点間隔の半分の値よりも常に所定の係数ｋ＞１分大きくなければならない：

従来技術からは、レーザパルスエネルギＥ_Lと水中で生じる空洞気泡の最大半径との間の以下の関係が知られている：

ここでＥ_Cは、プラズマ形成閾値に達する前に、レーザパルスの間に焦点を介して伝達されるエネルギ値である。閾値付近では式（５ａ）に従い、Ｒ_maxは差し当たりＥ_Lと共に急速に上昇するが、プラズマ形成閾値を遙かに上回るパルスエネルギではその上昇が緩慢になる。何故ならば、Ｅ_L＞＞Ｅ_Cであり、従って近似的に次式が成り立つからである。

確かに、角膜組織における切断ダイナミクスの詳細についての研究は未だ進んでいないが、しかしながら、式（５ｂ）におけるＲ_maxとＥ_Lとの間の弱い依存関係からは、パターン点間隔が大きい場合（Ｄ＞＞ｄ）には、大きくなった距離（Ｄ−ｄ）／２を分割によって克服するために、個々のパルスエネルギを著しく増大させなければならないことが既に示唆されている。スポット間隔Ｄに対して焦点直径ｄが無視できる程に小さくなる極端な場合には、最終的に式（４）及び（５）と共に次式も有効である：

パターン点間隔の値が小さい場合、Ｄが大きくなると面要素あたりのパルスの個数が低減されることから、切断に必要な総エネルギは差し当たり大きく低減される。即ち、Ｅ_ges（Ｄ）の関係において式（３）が優勢となる。パターン点間隔が比較的大きい場合、必要な個別パルスエネルギの増大によって、低減されたパルス数の効果が十分に補償される。パターン点間隔が更に大きくなると、式（６）に応じた必要な個別パルスエネルギの増大は最終的に、式（３）に応じた低減されたパルス数の作用に対して優勢になり、それどころか必要とされる総切断エネルギはＤと共に増大することが予想される。

摘出された豚の眼の実験から上記の状況が示された。図３には、異なる開口数（ＮＡ）において実施し成功した多数のレーザ切開に関して、必要な個別パルスエネルギ（上部）及び総照射線量（下部）とスポット間隔との関係がそれぞれ示されている。スポット間隔が３μｍから１２μｍまで変化する場合、必要なパルスエネルギはほぼ３倍にしなければならないが、総照射線量はそれと同時に約１／６に低減することができる。しかしながら、スポット間隔が更に大きくなると、パルスエネルギを高めながらそれと同時に総線量は低減することはもはや実現できないことも分かっている。その場合には更に、スポットの周囲のより強い二次作用も勘案する必要がある。

本発明による装置は、一定のパターン点間隔Ｄで焦点直径ｄを拡大することができるので、克服すべき分割距離（Ｄ−ｄ）／２は短縮され、従って、衝撃波及び空洞気泡によってもたらされなければならない、所要の機械的な切断作用は低減される。焦点直径が例えば１μｍから３μｍに拡大されると、プラズマ内の崩壊によって切断される面積は９倍にまで上昇する。このことは、６μｍのパターン点間隔では、崩壊によって切断される面積の割合の明確な上昇を意味する。つまり割合は、約１／４６でしかなかったものが、１／５弱に上昇する。

ディスク状の焦点は、特に、角膜のような層状に重なっている構造体における層方向に沿った分割を支援する。何故ならば、プラズマ及び気泡の拡張時の力の分配によって、各層が離れるようにずらされ、また焦点ディスクの配向によって、分割のための優先方向及び優先面が設定されるからである。図４には、ａ）ディスク状のレーザ焦点にエネルギデポジットした後（図４ａ））又はロッド状の焦点にエネルギデポジットした後（図４ｂ））の角膜層の分割が示されている。ここでは矢印によって、焦点を起点とした力の作用する方向が示唆されている。ディスク状の焦点はロッド状の焦点よりも良好に層相互の剥離を支援していることが容易に見て取れる。従って、螺旋レーザパルスの供給による物質の横方向の分割は、個々の各スポットに関して、より長い到達距離を有しており、従って、少数のパターン点での切断を実現する。更には、克服すべき分割距離が短縮されることによって、切断ガイドがより良好に切断平面の領域に限定されるので、軸方向の切断精度も改善される。

最後に、本発明によるレーザ切断装置の二つの実施例を図５に示す。

図５ａ）及び図５ｂ）には、パルスレーザビーム２を放射するレーザ１がそれぞれ図示されている。レーザビーム２の波長は紫外線又は赤外線であるか、又は、ＶＩＳスペクトルの範囲にあり、有利には約３００ｎｍから１１００ｎｍの間の範囲にある。本発明の特に有利な実施の形態においては、レーザ１は３００ｎｍから４００ｎｍの間の波長を用いるＵＶレーザである。

従来技術においては、パルスレーザビーム２が偏向ユニット２０（走査装置）へと案内され、この偏向ユニット２０によってレーザビーム２が所定の方向に偏向される。偏向されたレーザビームは拡大望遠鏡２１によって拡大され、切断対物レンズ２２を通過して透明な物質２３から成る試料へ焦点合わせされる。レーザ焦点は所定の切断線又は切断面２４上の所定の点にある。制御ユニット３０は、照射パラメータを変更するために、及び／又は、切断線又は切断面２４のレーザ焦点（スポット）の特に一つの別の個所を事前に決定するために、レーザ源１及び偏向ユニット２０を制御することができる。制御ユニット３０の動作は通常の場合、プログラムにより制御される。つまり、制御ユニット３０は一般的に、プログラム制御可能な計算ユニット、例えばＰＣを有している。

従来技術とは異なる新規な点は、パルスレーザビーム２のビーム路に進入可能且つビーム路から進出可能なモード変換手段３が設けられており、パルスレーザビーム２がこのモード変換手段３を通過する際に、螺旋状の位相面５を有するパルスレーザビーム５に変換されるということである。モード変換手段として螺旋型位相板が適しており、目下のところ、高出力の用途には、複数の複屈折セグメントから成るセグメント化された螺旋型位相板が使用され、各セグメントの光学軸は異なる配向を有している。（図２参照）

セグメント化された位相板が使用される場合に、位相プレートの後方においてビーム路内に空間フィルタ（又は空間周波数フィルタ）４を配置することは非常に有利であるが、これは本発明にとって必ずしも必要ではない。特に、セグメントの境界における不所望な散乱レーザ光が、パルス螺旋レーザビーム５から除去される。「ビーム精製」のための空間フィルタはレーザ技術の当業者には十分に公知である。

図５ａ）によれば、モード変換手段３及び空間フィルタ４は一緒にビーム路へと移動されることによって、ビーム路に進入するか又はビーム路から進出し、このことは垂直方向の両向き矢印によって示唆されている。この進入進出過程には、少なくとも一つの最終位置においてレーザビーム方向と同軸の配向を生じさせる、モード変換手段３及び空間フィルタ４のあらゆる種類の機械的な移動が含まれる。モード変換手段３及び空間フィルタ４が上記の最終位置に達すると（ビーム路に進入すると）、パルスレーザビーム２の、螺旋位相面を有するパルスレーザビーム５への変換が行われる。コンポーネント３及び４が取り除かれると、螺旋位相面を有するパルスレーザビーム５に代わって、レーザビーム２が再び供給される。

機械的に進入可能及び進出可能なモード変換手段３及び空間フィルタ４は技術的に簡単なものであり、また廉価であるが、短い時間間隔で、通常のレーザビーム２を螺旋レーザビーム５に高速に変換するため、又はその逆の変換を行うためには必ずしも適したものではない。

従ってそれに代わるものとして、図５ｂ）には、固定されたモード変換手段３並びに同様に固定された空間フィルタ４の代わりに、レーザ光２のビーム路がミラー６，７，８，９を介して偏向されることが示されている。ミラー７及び８は固定されており、またミラー６及び９は揺動可能又は開閉可能である。ユーザは（図示されていない）制御部を用いてミラー６及び９のミラー位置を選択することによって、パルスレーザビーム２がモード変換手段３及び空間フィルタ４を通過して変換されることによって、パルス螺旋レーザビーム５を形成すべきか否か、又は、パルスレーザビーム２がモード変換手段３及び空間フィルタ４を通過しないように、パルスレーザビーム２を迂回させるか否かを決定することができる。

最後に、上記において述べた、照射線量を求めるための装置は、有利には、ソフトウェアモジュール（例えば選択可能なサブルーチン）として制御ユニット３０のプログラミングに組み込まれていることを言及しておく。この装置は照射の実施前に既に照射パラメータ及び選択可能なスポットパターンを提供する。またこの装置は、照射線量を事前に計算することから、線量値を出力することができるか、又は、算出された線量値が所定の閾値を超過している場合には警告を出力することができる。

本発明の一つの有利な実施の形態においては、ソフトウェアモジュールによって、レーザパラメータがプリセットされている場合には、単位面積あたりの照射線量が所定の閾値を超えることになる非常に密なスポットパターンは全く選択できなくなるか、又は、ユーザによって特別に許可された場合にのみそのようなスポットパターンがアクティブにされる。

１レーザ
２パルスレーザビーム
３モード変換手段
４「ビーム精製」のための空間フィルタ
５螺旋位相面を有するパルスレーザビーム
６，９開閉可能なミラー
７，８ミラー
２０偏向ユニット
２１拡大望遠鏡
２２切断対物レンズ
２３透明な物質、例えば角膜から成る試料
２４切断線又は切断面
３０制御ユニット

Claims

透明な物質（２３）内にあり、且つ、レーザ光（２）の入射方向に対して実質的に垂直に延びている所定の切断線又は切断面（２４）の上に位置する所定の複数のスポットに、前記レーザ光（２）を焦点合わせするように構成されている、前記物質（２３）のためのレーザ切断装置において、
前記レーザ光（２）のビーム路に進入可能及び該ビーム路から進出可能な、螺旋位相面（５）を有するレーザ光へのモード変換手段（３）を有していることを特徴とする、レーザ切断装置。
前記モード変換手段（３）は螺旋型位相板を含む、請求項１に記載のレーザ切断装置。
前記螺旋型位相板は複数の複屈折セグメントから構成されており、各複屈折セグメントの光学軸は異なる配向を有している、請求項２に記載のレーザ切断装置。
前記モード変換手段（３）は前記ビーム路に進入可能及び前記ビーム路から進出可能である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレーザ切断装置。
駆動制御可能な偏向ミラー（６，９）が少なくとも一つ設けられており、該偏向ミラー（６，９）は、前記駆動制御に依存して、前記レーザ光（２）の前記ビーム路が、前記モード変換手段（３）を通過するように、又は前記モード変換手段（３）を迂回するように構成されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレーザ切断装置。
前記レーザ光（２）の前記ビーム路において、前記モード変換手段（３）の後段には空間周波数フィルタ（４）が配置されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザ切断装置。
レーザ光源（１）は、３００ｎｍから４００ｎｍの間の波長を有するパルス紫外線光（２）を放射する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のレーザ切断装置。
単位面積あたりの照射線量を求める装置が設けられており、該照射線量を求める装置は、レーザ光源（１）の照射パラメータと、偏向ユニット（２０）の制御装置（３０）によって事前に決定されたスポット位置とを検出し、前記照射パラメータ及び前記スポット位置から線量値を計算して出力するか、又は、所定の閾値を超過している場合には警告を出力する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のレーザ切断装置。