JP2016503584A - レーザパルス集束 - Google Patents

Abstract

ある特定の実施形態において、システム（１０）は、レーザ光源（２０）、１つ以上の光学素子（２４）、監視デバイス（２８）、および制御コンピュータ（３０）を含む。レーザ光源（２０）は、１つ以上のレーザパルスを出射する。光学素子（２４）は、レーザパルスのパルス長を変更し、監視デバイス（２８）は、パルス長の変化を検出するためにレーザパルスのパルス長を測定する。制御コンピュータ（３０）は、監視デバイス（２８）から測定されたパルス長を受け取り、パルス長の変化を補償する１つ以上のレーザパラメータを決定し、レーザパラメータに従ってレーザ光源（２０）を制御する。【選択図】図１

Description

本開示は、概ねレーザシステムに関し、より具体的にはレーザパルスを集束することに関する。

超短レーザパルスは、日常的に医学および科学の材料を処理するために使用される。ある特定の場合において、非常に高いピーク強度が必要とされ得る。ある特定の適用において、レーザパルスは、光学系を通過した後、標的の焦点に集束される。しかし、光学系は、標的でのパルスのピーク強度を低下させる時間に対してレーザパルスを伸張し得る。さらに、短めのレーザパルスは、長めのレーザパルスよりも大きく伸張することがある。

ある特定の実施形態において、システムは、レーザ光源、１つ以上の光学素子、監視デバイス、および制御コンピュータを含む。レーザ光源は、１つ以上のレーザパルスを出射する。光学素子は、レーザパルスのパルス長を変更し、監視デバイスは、パルス長の変化を検出するためにレーザパルスのパルス長を測定する。制御コンピュータは、監視デバイスから測定されたパルス長を受け取り、パルス長の変化を補償する１つ以上のレーザパラメータを決定し、レーザパラメータに従ってレーザ光源を制御する。

ある特定の実施形態において、方法は、レーザ光源によって、１つ以上のレーザパルスを出射することと、１つ以上の光学素子によって、レーザパルスのパルス長を変更することと、パルス長の変化を検出するために監視デバイスによってレーザパルスのパルス長を測定することと、制御コンピュータにおいて監視デバイスから測定されたパルス長を受け取ることと、制御コンピュータによってパルス長の変化を補償する１つ以上のレーザパラメータを決定することと、制御コンピュータによってレーザパラメータに従ってレーザ光源を制御することと、を含む。

次に、添付の図面を参照しながら、本開示の例示的な実施形態を一例として詳細に述べる。

ある特定の実施形態に従う、標的にレーザパルスを集束するように構成されるシステムの実施例を示す。 ある特定の実施形態に従う、図１のシステムで使用することができる集束対物レンズおよび監視デバイスの実施例を示す。 ある特定の実施形態に従う、図１のシステムで使用することができる集束対物レンズおよび監視デバイスの実施例を示す。 パルス持続時間に影響を与えるサイクル数の実施例を示す。 図１のシステムがある特定の実施形態に従って使用され得るデバイスの実施例を示す。

次に、説明および図面を参照しながら、開示された装置、システム、および方法の例示的な実施形態を詳細に示す。説明および図面は、網羅的であること、または別様に、特許請求の範囲を、図面に示され、説明において開示される特定の実施形態に限定または制限することを意図しない。図面は可能な実施形態を表しているものの、図面は必ずしも縮尺通りではなく、実施形態をより良く例示するために、ある特定の特徴が誇張される、取り除かれる、または部分的に分割される可能性がある。

図１は、ある特定の実施形態に従う、標的２６にレーザ光線２２のレーザパルスを集束するように構成されるシステム１０の実施例を示す。一実施例において、システム１０は、レーザ光源２０、１つ以上の光学素子２４、監視デバイス２８、および制御コンピュータ３０を含む。ある特定の実施形態において、監視デバイス２８は、パルス長の変化（例えば、増加または減少）を検出するために光学素子２４から出力されたレーザパルスのパルス長を測定し、制御コンピュータ３０に測定情報を送信する。制御コンピュータ３０および／またはレーザ光源２０は、パルス長の変化を補償する。ある特定の実施形態おいて、制御コンピュータ３０は、変化（例えば、パルス長の変化）を補償し得るレーザ光源のパラメータを決定し、次いで、標的２６に向けてレーザ光線２２を方向付けるように、パラメータを使用してレーザ光源２０を制御する。

ある特定の実施形態において、光学素子２４および／またはレーザ光源２０は、パルス長の変化をもたらし得る。実施形態では、レーザ光源２０の素子（例えば、光学素子）を使用して、（正のチャープなどの）チャープを引き起こす光学素子２４および／またはレーザ光源２０の（正の分散などの）分散を補償するために（負のチャープなどの）適切な調整を適用し得る。あるいは、正のチャープは、負のチャープを引き起こす光学素子２４および／またはレーザ光源２０の負の分散を補償するために適用され得る。システム１０は、所望のパルス長およびパルスエネルギーを伴うレーザパルスを標的２６に出力し得る。ある特定の場合において、パルス長は最短化され得る。

レーザ光源２０は、超短レーザパルスを伴うレーザ光線を生成して出射する。この文書では、光の「超短」パルスは、ナノ秒、ピコ秒、フェムト秒、またはアト秒の順序などで、ナノ秒以下である持続時間を有する光パルスを指す。レーザ光源２０の例としては、ナノ秒、フェムト秒、ピコ秒、およびアト秒のレーザが挙げられる。レーザ光線は、３００〜１９００ナノメータ（ｎｍ）の範囲の波長（例えば、３００〜６５０、６５０〜１０５０、１０５０〜１２５０、または１１００〜１９００ｎｍの範囲の波長）などの任意の好適な波長を有し得る。レーザ光線は、１〜１０００フェムト秒（ｆｓ）、例えば、約１０ｆｓなどの任意の好適なパルス持続時間のパルスを含み得る。

光学素子２４は、光を操作し（例えば、光を反映し、屈折し、回折し、および／または透過し）得る１つ以上の素子を含み得る。光学素子２４は、標的２６にレーザ光線２２を集束し得る集束対物レンズなどの任意の好適な素子を含み得る。光学素子２４は、レーザパルスのパルス長を変化（例えば、増加または減少）させ得る。ある特定の実施形態において、光学素子２４は、時間内にパルスを伸張する正の分散を適用し得る。例えば、光学素子２４は、１０ｆｓから２００ｆｓにパルス長を増加し得る。さらに、より短い（例えば、２００ｆｓ以下の）レーザパルスは、より長い（例えば、約４００ｆｓの）レーザパルスよりも大きい伸張を経験し得る。

監視デバイス２８は、時間に対して伸張するパルスを検出するためにレーザパルスのパルス長を測定し、次いで、制御コンピュータ３０に測定情報を送信する。パルス長は、任意の好適な方法で測定され得る。ある特定の実施形態において、監視デバイス２８は、パルスがコピーされ、コピーが非線形媒体中で組み合わされた非線形測定技術を使用する。非線形媒体は、両方のパルスのコピーが同時に存在する場合にのみ特定の信号を生成し、これによってパルスのコピー間の遅延を変化させ、各遅延のための信号を測定することで、パルス長の推定値を得る。これらの監視デバイスは、ＳＨＧ結晶、フォトダイオード、および／または２つ以上の光子を検出する多光子検出器を含み得る。これらの監視デバイスの例としては、周波数分解光ゲート（ＦＲＯＧ）デバイス、自己相関モニタ、（近赤外レーザパルスの多光子吸収のための）太陽光ブラインド検出器が挙げられる。

制御コンピュータ３０は、監視デバイス２８から測定されたパルス長を受け取り、時間内にパルス長の伸張を実質的に補償する１つ以上のレーザパラメータを決定し、レーザパラメータに従ってレーザ光源２０を制御するように構成される。レーザパラメータおよび／またはレーザ光源素子は、任意の好適な方法でパルス幅の変化を補償し得る。例えば、レーザ光源素子は、光学素子２４が、レーザパルスに適用する正の分散を補償するために負のチャープを生成し得る（またはその逆）。別の実施例として、パラメータは、負のチャープを適用するために位相変調を誘起するように、レーザ光源２０の再生増幅器のサイクル数を増加させ得る。

ある特定の実施例において、光学素子２４によって適用される正の分散または群速度遅延（ＧＶＤ）は、ＧＶＤ_posとして表され得る。レーザパラメータによって適用される負のチャープは、｜ＧＶＤ_neg｜＝｜ＧＶＤ_pos｜として表され得る。負のチャープは、任意の好適な値（例えば、０フェムト秒²（ｆｓ²）未満〜−２０，０００ｆｓ²超の範囲）を有し得る。ある特定の実施形態において、レーザ光源２０は、パルス長の変化を実質的に補償するために完全な補償を実行し得る。他の実施形態において、レーザ光源２０は、パルス長の変化を実質的に補償しない部分的な補正を実行し得、別のデバイスは、標的２６にパルスを出力する前に補償の残りを実行し得る。

標的２６は、生体組織または生物学的非生体組織などの任意の好適な材料を表し得る。ある特定の実施形態において、標的２６は、角膜組織などの眼の組織である。レーザ光線の焦点は、標的２６でレーザ誘起光学破壊（ＬＩＯＢ）をもたらし得る。最短化されたパルス長は、散乱放射線、気泡、または不透明な泡層などの望ましくない効果を低減するまたは回避し得る、より低いパルスエネルギーでＬＩＯＢをもたらし得る。

図２ＡおよびＢは、システム１０で使用され得る集束対物レンズ３２および監視デバイス２８の実施例を示す。集束対物レンズ３２は光学素子２４であり、Ｆ−θ対物レンズなど、レーザ光線２２を集束することができる任意の好適な光学素子であり得る。ある特定の実施形態において、集束対物レンズ３２は、アブレーションコーンであり得る。

監視デバイス２８は、任意の好適な位置でパルス長を測定し得、この位置で、測定は、制御コンピュータ３０がパルス幅の変化を実質的に補償することができるレーザパラメータを算出することを可能にすることができる情報を、制御コンピュータ３０に提供することができる。実施例では、監視デバイス２８は集束対物レンズ３２の出口から出力されたパルスのパルス長を測定する。監視デバイス２８は、（図２Ａに実施例として示すように）集束対物レンズ３２に結合され得、または（図２Ｂに実施例として示すように）集束対物レンズ３２に配置され得る。

監視デバイス２８は、較正が所望されるときはいつでもというように、任意の好適な時間にパルス長を測定し得る。ある特定の場合において、測定は、定期的に（例えば、毎週、毎日、または毎時）またはきっかけとなる出来事に応答する（例えば、システム１０の電源が入れられたとき、または新しい患者情報が入力されたとき）といったように、機械的にまたは自動的に実行され得る。他の場合において、測定は、任意の好適な使用者、例えば、外科医、サービス提供者、または製造業者によって行われ得る使用者要求に応答して実行され得る。

図３は、サイクル数とパルス持続時間との間の関係を示すグラフの一例を図示する。グラフにおいて、パルス持続時間４０は、レーザ光源２０の出力でのパルス持続時間であり、パルス持続時間４２は、標的２６でのパルス持続時間である。参照矢印５０は、レーザ光源２０の出力でのパルス持続時間４０から標的２６でのパルス持続時間４２までのパルス持続時間の増加を示す。参照矢印５２は、光学系におけるパルスの最短パルス持続時間４０により近いパルス持続時間４２をもたらすための、９０サイクルから８３〜８５サイクルまでのサイクル数の変化を示す。

図４は、図１のシステム１０がある特定の実施形態に従って使用され得るデバイス１１０の実施例を示す。システム１０は、任意の好適なレーザの適用のために使用され得る。適用の例としては、外科的または診断適用などの科学的および医療的適用が挙げられる。例えば、システム１０は、以下に記載のもの、多光子分光法、または他の診断システムなどのレーザ手術システムと共に使用され得る。

ある特定の実施形態において、デバイス１１０は、眼１２２にレーザ屈折手術を実行する。デバイス１１０は、実施例に示されるように結合された、レーザデバイス１１５、患者アダプタ１２０、制御コンピュータ１３０、およびメモリ１３２を含む。レーザデバイス１１５は、実施例に示されるように結合された、レーザ光源１１２、スキャナ１１６、１つ以上の光学素子１１７、および／または集束対物レンズ１１８を含み得る。患者アダプタ１２０は、図示されるように結合された、（サンプルから外向きに配置された当接面１２６を有する）接触素子１２４と、スリーブ１２８とを含み得る。メモリ１３２は、制御プログラム１３４を記憶している。

レーザ光源１１２は、図１のレーザ光源２０に類似し得、光学素子１１７および集束対物レンズ１１８は、光学素子２４に類似し得る。スキャナ１１６、光学素子１１７、および集束対物レンズ１１８は、光線経路内にあり、適用に応じて光線経路から容易に除去され得る。スキャナ１１６は、横方向（ｘ方向およびｙ方向）に、かつ縦方向（ｚ方向）にレーザ光線１１４の焦点を制御する。１つ（またはそれ以上）の光学素子１１７は、レーザ光線１１４を集束対物レンズ１１８に向けて方向付ける。集束対物レンズ１１８は、患者アダプタ１２０にレーザ光線１１４を集束し、患者アダプタ１２０に別個に結合され得る。患者アダプタ１２０は、眼１２２の角膜と相互作用する。この例では、患者アダプタ１２０は、接触素子１２４に結合されたスリーブ１２８を有する。スリーブ１２８は、集束対物レンズ１１８に結合する。

制御コンピュータ１３０は、制御プログラム１３４に従って、制御可能な構成要素（例えば、レーザ光源１１２、スキャナ１１６、および／または少なくとも１つの光学素子１１７）を制御する。制御プログラム１３４は、領域の少なくとも一部を光分断（ｐｈｏｔｏｄｉｓｒｕｐｔ）するために角膜の領域にパルスレーザ放射線を集束するように、制御可能な構成要素に命令するコンピュータコードを含む。

本明細書に開示されるシステムおよび装置の構成要素（制御コンピュータ１３０など）は、インターフェース、論理、メモリ、および／または他の好適な要素を含み得、そのいずれも、ハードウェアおよび／またはソフトウェアを含み得る。インターフェースは、入力を受信し、出力を送信し、入力および／もしくは出力を処理し、ならびに／または他の好適な操作を実行し得る。論理は、構成要素の操作を実行することができ、例えば、命令を実行して入力から出力を生成することができる。論理は、メモリにコード化されてもよく、またコンピュータにより実行されると操作を実行することができる。論理は、プロセッサ、例えば１つ以上のコンピュータ、１つ以上のマイクロプロセッサ、１つ以上のアプリケーション、および／または他の論理であってもよい。メモリは、情報を記憶することができ、また１つ以上の有形のコンピュータ可読および／またはコンピュータにより実行可能な記憶媒体を含み得る。メモリの例は、コンピュータメモリ（例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）もしくは読み取り専用メモリ（ＲＯＭ））、大容量記憶媒体（例えば、ハードディスク）、リムーバブル記憶媒体（例えば、コンパクトディスク（ＣＤ）もしくはデジタルビデオディスク（ＤＶＤ））、データベースおよび／またはネットワーク記憶装置（例えば、サーバ）、ならびに／あるいは他のコンピュータ可読媒体を含む。

具体的な実施形態において、コンピュータプログラム、ソフトウェア、コンピュータにより実行可能な命令、および／またはコンピュータにより実行することが可能な命令がコード化された１つ以上のコンピュータ可読媒体により、実施形態の操作が実行され得る。具体的な実施形態において、コンピュータプログラムを記憶する、それが具現化された、および／もしくはそれがコード化された、ならびに／または記憶および／もしくはコード化されたコンピュータプログラムを有する１つ以上のコンピュータ可読媒体により、操作が実行され得る。この開示は特定の実施形態の観点から記載されているが、実施形態の修正（変更、置換、付加、省略、および／または他の修正などの）は当業者にとって自明であろう。したがって、本発明の範囲を逸脱しない範囲で実施形態に修正が行われ得る。例えば、本明細書に開示されるシステムおよび装置に修正が行われ得る。システムおよび装置の構成要素は統合しても分離してもよく、システムおよび装置の操作は、さらに多くの、またはさらに少ない、または他の構成要素により実行され得る。別の実施例として、本明細書に開示される方法に修正が行われ得る。本方法は、さらに多くの、またはさらに少ない、または他の工程を含み、工程は任意の好適な順序で実行され得る。

本発明の範囲を逸脱しない範囲で、他の修正が行われ得る。例えば、説明は、特定の実際の適用における実施形態を示し、さらに他の適用が当業者にとって自明であろう。また、将来の発展は本明細書に記載された技術において発生し、開示されたシステム、装置、および方法は、そのような将来の発展と共に利用されるであろう。

本発明の範囲は、説明を参照して決定されるべきではない。特許法に従い、説明は、例示的な実施形態を用いて、本発明の原則および動作方式を説明し、示す。説明によって、当業者は、様々な実施形態におけるシステム、装置および方法を、様々な修正と共に利用することができるが、説明は、本発明の範囲を決定するために使用されるべきではない。

本発明の範囲は、特許請求の範囲および請求の範囲の権利が与えられる等価物の全範囲を参照して、決定されるべきである。すべての請求の範囲の用語には、本明細書にそうでないと明示されていない限り、当業者に理解されるように、それらの最も広い範囲の合理的な構造およびそれらの通常の意味が与えられるべきである。例えば、「ａ」や「ｔｈｅ」などの単数を表す冠詞の使用は、請求項が明確にそれとは反対の限定を挙げない限り、１つ以上の示された要素を記載するように読まれるべきである。別の例として、「各」は、集合の各要素または集合の部分集合の各要素を指し、集合は、ゼロ、１つ、または２つ以上の要素を含み得る。要約すると、本発明は、修正が可能であり、本発明の範囲は、説明を参照してではなく、特許請求の範囲およびその均等物の全範囲を参照して決定されるべきである。

Claims (16)

1. １つ以上のレーザパルスを出射するように構成されるレーザ光源と、
   前記１つ以上のレーザパルスのパルス長を変更する１つ以上の光学素子と、
   前記パルス長の前記変化を検出するために前記１つ以上のレーザパルスの前記パルス長を測定するように構成される監視デバイスと、
   制御コンピュータであって、
   前記監視デバイスから前記測定されたパルス長を受け取り、
   前記パルス長の前記変化を補償する１つ以上のレーザパラメータを決定し、
   前記１つ以上のレーザパラメータに従って前記レーザ光源を制御するように構成される制御コンピュータと、を備える、システム。
2. 前記パルス長の前記変化が、パルス長の増加または減少である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記監視デバイスが、前記１つ以上の光学素子の集束対物レンズから出力された前記１つ以上のレーザパルスの前記パルス長を測定するように構成される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記制御コンピュータが、前記パルス長の変化を補償するために正または負のチャープを導入する１つ以上のパラメータを決定することによって、前記１つ以上のレーザパラメータを決定するように構成される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記１つ以上の光学素子が、前記レーザパルスに負のチャープを引き起こすことによって前記パルス長を変更し、
   前記制御コンピュータが、前記パルス長の前記変化を補償するために正または負のチャープを導入する１つ以上のパラメータを決定することによって、前記１つ以上のレーザパラメータを決定するように構成される、請求項１に記載のシステム。
6. 前記制御コンピュータが、
   前記レーザ光源の増幅器のサイクル数を調整するように前記レーザ光源に命令することによって、前記１つ以上のレーザパラメータに従って前記レーザ光源を制御するように構成される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記１つ以上のレーザパラメータが、前記パルス長の変化を実質的に補償する、請求項１に記載のシステム。
8. 前記１つ以上のレーザパラメータが、前記パルス長の変化を部分的に補償する、請求項１に記載のシステム。
9. レーザ光源によって、１つ以上のレーザパルスを出射することと、
   １つ以上の光学素子によって、前記１つ以上のレーザパルスのパルス長を変更することと、
   監視デバイスによって、前記パルス長の前記変化を検出するために前記１つ以上のレーザパルスの前記パルス長を測定することと、
   制御コンピュータで、前記監視デバイスから前記測定されたパルス長を受け取ることと、
   前記制御コンピュータによって、前記パルス長の前記変化を補償する１つ以上のレーザパラメータを決定することと、
   前記制御コンピュータによって、前記１つ以上のレーザパラメータに従って前記レーザ光源を制御することと、を含む、方法。
10. 前記パルス長の前記変化が、パルス長の増加または減少である、請求項９に記載の方法。
11. 前記測定することが、前記１つ以上の光学素子の集束対物レンズから出力された前記１つ以上のレーザパルスの前記パルス長を測定することを含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記１つ以上のレーザパラメータを決定することが、前記パルス長の変化を補償するために正または負のチャープを導入する１つ以上のパラメータを決定することを含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記１つ以上の光学素子が、前記レーザパルスに負のチャープを引き起こすことによって前記パルス長を変更し、
    前記１つ以上のレーザパラメータを決定することが、前記パルス長の前記変化を補償するために正のチャープを導入する１つ以上のパラメータを決定することを含む、請求項９に記載の方法。
14. 前記１つ以上のレーザパラメータに従って前記レーザ光源を制御することが、
    前記レーザ光源の増幅器のサイクル数を調整するように前記レーザ光源に命令することを含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記１つ以上のレーザパラメータが、前記パルス長の変化を実質的に補償する、請求項９に記載の方法。
16. 前記１つ以上のレーザパラメータが、前記パルス長の変化を部分的に補償する、請求項９に記載の方法。

Images