JP5824825B2

JP5824825B2 - 超短パルスレーザ加工装置

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Publication number: JP5824825B2
Application number: JP2011045249A
Authority: JP
Inventors: 正典天野
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2031-03-02
Also published as: EP2494945A1; JP2012179648A; US20120224596A1; US8995477B2

Description

本発明は、被加工眼の組織等の被加工対象物を加工するための超短パルスレーザ加工装置に関する。

フェムト秒パルスレーザビーム等の超短パルスレーザビームを照射して被加工対象物の微細加工等を行うことができる装置が提案されている（非特許文献１参照）。超短パルスレーザビームは、加熱を伴わず、対象物の材質も選ばず、ミクロンオーダの微細な加工が可能、透明対象物の内部加工が可能、等から、近年注目されている。

上原譲、他１名「微細加工用フェムト秒ファイバレーザ」、レーザ加工学会誌Ｖｏｌ.１４，Ｎｏ.３（２００７）ｐ．１５９−１６３

ここで、フェムト秒パルスレーザビームを出力可能な従来のレーザ加工装置について説明する。図１（ａ）は、固体素子型のレーザヘッドを用いた従来のレーザ加工装置の概略構成図であり、図２（ａ）は、光ファイバ型のレーザヘッドを用いた従来のレーザ加工装置の概略構成図である。

図１（ａ）の装置の場合、レーザヘッド１００は、フェムト秒パルス種光レーザ１０１と回折格子伸長器１０２と固体増幅器１０３と回折格子圧縮器１０４とを備えており、レーザヘッド１００から出力されたレーザビームは、全反射ミラーによる光伝達系１０５によって導光され、スキャナ１１１及び集光レンズ１１２を備えている出射端部１１０によって対象物に照射される。この際のレーザビーム（レーザパルス）の状態を示したのが図１（ｂ）であり、横軸が時間であり、縦軸がエネルギ強度である。図１（ｂ）に示されているように、レーザ１０１からのレーザビーム（レーザパルス）は、伸長器１０２によって伸長され、増幅器１０３によって増幅され、圧縮器１０４によってピークパワーがｍＷを超えるように圧縮される。

また、図２（ａ）の装置の場合、レーザヘッド２００は、フェムト秒パルス種光レーザ２０１とファイバ伸長器２０２とファイバ増幅器２０３と回折格子圧縮器２０４とを備えており、レーザヘッド２００から出力されたレーザビームは、全反射ミラーによる光伝達系１０５によって導光され、スキャナ１１１及び集光レンズ１１２を備えている出射端部１１０によって対象物に照射される。この際のレーザビーム（レーザパルス）の状態を示したのが図２（ｂ）であり、横軸が時間であり、縦軸がエネルギ強度である。図２（ｂ）に示されているように、レーザ２０１からのレーザビーム（レーザパルス）は、伸長器２０２によって伸長され、増幅器２０３によって増幅され、圧縮器２０４によってピークパワーがｍＷを超えるように圧縮される。

ここで、図１（ａ）及び図２（ａ）の装置では、圧縮されたレーザビーム（レーザパルス）は、光伝達系１０５によって導光されて出射端部１１０に送られる。しかし、光伝達系１０５を収納するアーム等は、動作性に劣り、出射端部１１０の柔軟な取り回しが困難である。

本発明は、レーザビームの出射端部の柔軟な取り回しを可能にする超短パルスレーザ加工装置を提供することを技術課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の構成を有することを特徴とする。
第一態様に係る超短パルスレーザ加工装置は、被加工眼を加工するための超短パルスレーザ加工装置であって、本体部に設けられ、フェムト秒又はピコ秒パルス種光レーザと、前記種光レーザからのレーザパルスを伸長させる伸長器とを有するレーザヘッドと、レーザパルスを所定の高ピークパワーのレーザパルスに圧縮する圧縮器と、レーザパルスを走査するスキャナを有し、前記圧縮器によって圧縮されたレーザパルスを走査して前記被加工眼に照射する出射端部と、前記本体部から前記圧縮器へレーザパルスを導光する導光用光ファイバと、前記伸長器によって伸長されたレーザパルスを増幅させる，前記導光用光ファイバの入射側である前記本体部側又は前記導光用光ファイバの出射側である前記出射端部側に配置されている増幅器と、前記圧縮器及び前記出射端部を、前記本体部に対して取り回し可能に支持するアームとを有し、前記導光用光ファイバが、コネクタを介して離脱可能に前記圧縮器または前記増幅器に繋がれている、ことを特徴とする。
第二態様に係る超短パルスレーザ加工装置は、被加工眼を加工するための超短パルスレーザ加工装置であって、本体部に設けられ、フェムト秒又はピコ秒パルス種光レーザと、前記種光レーザからのレーザパルスを伸張させる圧縮器とを有するレーザヘッドと、レーザパルスを所定の高ピークのレーザパルスに圧縮する圧縮器と、レーザパルスを走査するスキャナを有し、前記圧縮器によって圧縮されたレーザパルスを走査して前記被加工眼に照射する出射端部と、前記本体部から前記圧縮器へレーザパルスを導光すると共に、前記伸張器によって伸張されたレーザパルスを増幅させる光ファイバと、前記圧縮器及び前記出射端部を、前記本体部に対して取り回し可能に支持するアームとを有し、前記光ファイバが、コネクタを介して離脱可能に前記圧縮器に繋がれている、ことを特徴とする。

本発明によれば、レーザビームの出射端部の柔軟な取り回しを可能にする。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図３は、本発明の実施形態である超短パルスレーザ加工装置の概略構成図（外観図）である。なお、本実施形態のレーザ加工装置は、被加工対象物である被加工眼（患者眼）の組織（角膜、水晶体、等）を加工するための装置である。

レーザ加工装置の本体部１内には後述するレーザヘッド１０又は２０等が収納されている。レーザヘッド１０又は２０から出力されたレーザビームは、光ファイバ（導光ファイバ）１５によって圧縮部２に送られる。圧縮部２内の後述する圧縮器１４によって圧縮されたレーザビームは、圧縮部２と接続されている出射端部３に送られる。出射端部３内には後述するスキャナ１６及び集光レンズ１７が収納されており、出射端部３に送られたレーザビームは、被加工眼Ｅの所期する部位に走査されながら照射される。

なお、出射端部３には、装置の操作者（本実施形態では術者）が眼Ｅを観察するための双眼の顕微鏡部４が設けられている。

出射端部３は、多関節アーム５によって本体部１と接続されている（すなわち、出射端部３は、本体部１及びアーム５によって吊下げ支持されている）。アーム５は、レーザビームを導光するものではない（全反射ミラーによる光伝達系を収納するものではない）ため、多くの関節部を有することができ、その結果、アーム５の先端に設けられた出射端部３を柔軟に取り回すことができる（アーム５の動作性が良い）。

また、アーム５には、タッチパネル式のディスプレイ６が取り付けられている。ディスプレイ６は、加工条件（手術条件）であるレーザビームの種々の照射パラメータを設定でき、また、設定された条件（パラメータ）等を表示できる。

図４（ａ）は、本体部１内に収納されている固体素子型のレーザヘッド１０、圧縮部２、出射端部３、及びレーザヘッド１０と圧縮部２内の圧縮器１４とを繋ぐ（レーザヘッド１０から圧縮部２内の圧縮器１４にレーザビームを送る）光ファイバ１５を示す図である。

図４（ａ）に示されているように、レーザヘッド１０は、フェムト秒パルス種光レーザ１１と回折格子伸長器１２と固体増幅器１３とを備えており、レーザヘッド１０から出力されたレーザビームは、光ファイバ１５によって導光され、圧縮部２内の回折格子圧縮器１４によって圧縮され、スキャナ１６及び集光レンズ１７を備えている出射端部３によって眼Ｅに照射される。この際のレーザビーム（レーザパルス）の状態を示したのが図４（ｂ）であり、横軸が時間であり、縦軸がエネルギ強度である。図４（ｂ）に示されているように、レーザ１１からのレーザビーム（レーザパルス）は、伸長器１２によって伸長され、増幅器１３によって増幅され、圧縮器１４によってピークパワーがｍＷを超えるように圧縮される。

図５（ａ）は、本体部１内に収納されている光ファイバ型のレーザヘッド２０、圧縮部２、出射端部３、及びレーザヘッド２０と圧縮部２内の圧縮器１４とを繋ぐ（レーザヘッド２０から圧縮部２内の圧縮器１４にレーザビームを送る）光ファイバ１５を示す図である。

図５（ａ）に示されているように、レーザヘッド２０は、フェムト秒パルス種光レーザ２１とファイバ伸長器２２とファイバ増幅器２３とを備えており、レーザヘッド２０から出力されたレーザビームは、光ファイバ１５によって導光され、圧縮部２内の回折格子圧縮器１４によって圧縮され、スキャナ１６及び集光レンズ１７を備えている出射端部３によって眼Ｅに照射される。この際のレーザビーム（レーザパルス）の状態を示したのが図５（ｂ）であり、横軸が時間であり、縦軸がエネルギ強度である。図５（ｂ）に示されているように、レーザ２１からのレーザビーム（レーザパルス）は、伸長器２２によって伸長され、増幅器２３によって増幅され、圧縮器２４によってピークパワーがｍＷを超えるように圧縮される。

ここで、従来例（図１（ａ）及び図２（ａ）の装置）のように、増幅器と圧縮器とが直接繋がれていると、ピークパワーがｍＷを超えるように圧縮されたレーザビーム（レーザパルス）を出射端部に送らなければならず、導光手段として光ファイバを用いることができず、全反射ミラーによる光伝達系が用いられる。この場合、出射端部の取り回しを少しでも良くするために多関節アームを用いる（アームがミラーによる光伝達系を収納する）ことができるが、ミラーの光軸調整等が大変になるために関節部を多く設けることができない。その結果、出射端部の柔軟な取り回しが困難になる。

これに対し、本件発明の実施形態（図４（ａ）及び図５（ａ）の装置）のように、圧縮器が収納されている圧縮部を出射端部に接続し、増幅器と圧縮器とを光ファイバで繋ぐことにより、出射端部の柔軟な取り回しが可能になる。そして、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示されているように、伸長器で伸長されて増幅器で増幅されたレーザビーム（レーザパルス）のピークパワーはｍＷを超えず，光ファイバで導光されて圧縮器で圧縮されたレーザビーム（レーザパルス）のピークパワーがｍＷを超えるように設定する。これにより、伸長器で伸長されて増幅器で増幅されたレーザビーム（レーザパルス）を、光ファイバを介して圧縮器に送ることができる。

なお、本件発明の実施形態で使用される光ファイバは、理想的には、小さい開口数（ＮＡ）で３０μｍよりも大きなコア径のシングルモードファイバが好ましい。しかし、あまりに小さな開口数（ＮＡ）では、導波路としてのガイド特性が弱まり、光ファイバを曲げて使用することができなくなり、導光手段として光ファイバを使用することの利点である小型・軽量性、動作性、等を台無しにしてしまう。

次に、本発明の別の実施形態（変容例）を図面に基づいて説明する。

図６（ａ）は、本体部１内に収納されている固体素子型のレーザヘッド１０´、圧縮部２と接続されている図示なき増幅部７、圧縮部２、出射端部３、及びレーザヘッド１０´と増幅部７内の増幅器１３又は２３とを繋ぐ（レーザヘッド１０´から増幅部７内の増幅器１３又は２３にレーザビームを送る）光ファイバ１５を示す図である。

図６（ａ）に示されているように、レーザヘッド１０´は、フェムト秒パルス種光レーザ１１と回折格子伸長器１２とを備えており、レーザヘッド１０´から出力されたレーザビームは、光ファイバ１５によって導光され、増幅部７内の固体増幅器１３によって増幅され、圧縮部２内の回折格子圧縮器１４によって圧縮され、スキャナ１６及び集光レンズ１７を備えている出射端部３によって眼Ｅに照射される。この際のレーザビーム（レーザパルス）の状態を示したのが図６（ｂ）であり、横軸が時間であり、縦軸がエネルギ強度である。図６（ｂ）に示されているように、レーザ１１からのレーザビーム（レーザパルス）は、伸長器１２によって伸長され、増幅器１３によって増幅され、圧縮器１４によってピークパワーがｍＷを超えるように圧縮される。

図７（ａ）は、本体部１内に収納されている光ファイバ型のレーザヘッド２０´、圧縮部２と接続されている図示なき増幅部７、圧縮部２、出射端部３、及びレーザヘッド２０´と増幅部７内の増幅器１３又は２３とを繋ぐ（レーザヘッド２０から増幅部７内の増幅器１３又は２３にレーザビームを送る）光ファイバ１５を示す図である。

図７（ａ）に示されているように、レーザヘッド２０´は、フェムト秒パルス種光レーザ２１とファイバ伸長器２２とを備えており、レーザヘッド２０´から出力されたレーザビームは、光ファイバ１５によって導光され、増幅部７内のファイバ増幅器２３によって増幅され、圧縮部２内の回折格子圧縮器１４によって圧縮され、スキャナ１６及び集光レンズ１７を備えている出射端部３によって眼Ｅに照射される。この際のレーザビーム（レーザパルス）の状態を示したのが図７（ｂ）であり、横軸が時間であり、縦軸がエネルギ強度である。図７（ｂ）に示されているように、レーザ２１からのレーザビーム（レーザパルス）は、伸長器２２によって伸長され、増幅器２３によって増幅され、圧縮器２４によってピークパワーがｍＷを超えるように圧縮される。

本件発明の別の実施形態（図６（ａ）及び図７（ａ）の装置）のように、増幅器が収納されている増幅部と圧縮器が収納されている圧縮部とを出射端部に接続し、伸長器と増幅器とを光ファイバで繋ぐことにより、出射端部の柔軟な取り回しが可能になる。そして、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示されているように、伸長器で伸長されたレーザビーム（レーザパルス）のピークパワーはｍＷを超えず，光ファイバで導光されて増幅器で増幅されて圧縮器で圧縮されたレーザビーム（レーザパルス）のピークパワーがｍＷを超えるように設定する。これにより、伸長器で伸長されたレーザビーム（レーザパルス）を、光ファイバを介して増幅器に送ることができる。

なお、光ファイバ型のレーザヘッドを用いた装置は、ファイバ伸長器とファイバ増幅器と導光用光ファイバとを１本のファイバのように直接繋ぐことができるため、安定性が高く、光軸調整も楽になり、固体素子型のレーザヘッドを用いた装置と比べて有利である。また、ファイバ増幅器と導光用光ファイバとは同一のファイバで構成することもできる。これは、安定性等においてさらに有利である。

なお、以上の実施形態では、種光レーザとしてフェムト秒パルス種光レーザを用いたが、これに限るものではない。加熱を伴わず、対象物の材質も選ばず、ミクロンオーダの微細な加工が可能、透明対象物の内部加工が可能、等の特性を持つピコ秒パルス等の超短パルスのレーザビームを発するものであればよい。

また、以上の実施形態では、導光用ファイバと圧縮部内の圧縮器又は増幅部内の増幅器とが直接繋がれているが、この繋ぎが図示なきコネクタを介してなされており、導光用ファイバが圧縮器又は増幅器から離脱可能であってもよい。そして、離脱された導光用ファイバが他の装置の出射端部に接続されている圧縮部内の圧縮器又は増幅部内の増幅器に繋がれて使用されてもよい。

また、以上の実施形態では、圧縮部が出射端部に接続されているが、この接続が図示なきコネクタを介してなされており、圧縮部が出射端部から離脱可能であってもよい。そして、離脱された圧縮部が他の装置の出射端部に接続されて使用されてもよい。

固体素子型のレーザヘッドを用いた従来のレーザ加工装置の概略構成図とレーザビームの状態を示した図である。光ファイバ型のレーザヘッドを用いた従来のレーザ加工装置の概略構成図とレーザビームの状態を示した図である。本発明の実施形態である超短パルスレーザ加工装置の概略構成図である。本体部内に収納されている固体素子型のレーザヘッド、圧縮部、出射端部、及びレーザヘッドと圧縮部とを繋ぐ光ファイバを示す図とレーザビームの状態を示した図である。本体部内に収納されている光ファイバ型のレーザヘッド、圧縮部、出射端部、及びレーザヘッドと圧縮部とを繋ぐ光ファイバを示す図とレーザビームの状態を示した図である。本体部内に収納されている固体素子型のレーザヘッド、増幅部、圧縮部、出射端部、及びレーザヘッドと増幅部とを繋ぐ光ファイバを示す図とレーザビームの状態を示した図である。本体部内に収納されている光ファイバ型のレーザヘッド、増幅部、圧縮部、出射端部、及びレーザヘッドと増幅部とを繋ぐ光ファイバを示す図とレーザビームの状態を示した図である。

１本体部
３出射端部
１０固体素子型レーザヘッド
１１フェムト秒パルス種光レーザ
１２回折格子伸長器
１３固体増幅器
１４回折格子圧縮器
１５光ファイバ
２０光ファイバ型レーザヘッド
２１フェムト秒パルス種光レーザ
２２ファイバ伸長器
２３ファイバ増幅器

Claims

被加工眼を加工するための超短パルスレーザ加工装置において、
本体部に設けられ、フェムト秒又はピコ秒パルス種光レーザと、前記種光レーザからのレーザパルスを伸長させる伸長器とを有するレーザヘッドと、
レーザパルスを所定の高ピークパワーのレーザパルスに圧縮する圧縮器と、
レーザパルスを走査するスキャナを有し、前記圧縮器によって圧縮されたレーザパルスを走査して前記被加工眼に照射する出射端部と、
前記本体部から前記圧縮器へレーザパルスを導光する導光用光ファイバと、
前記伸長器によって伸長されたレーザパルスを増幅させる，前記導光用光ファイバの入射側である前記本体部側又は前記導光用光ファイバの出射側である前記出射端部側に配置されている増幅器と、
前記圧縮器及び前記出射端部を、前記本体部に対して取り回し可能に支持するアームとを有し、
前記導光用光ファイバが、コネクタを介して離脱可能に前記圧縮器または前記増幅器に繋がれている、
ことを特徴とする超短パルスレーザ加工装置。
請求項１の超短パルスレーザ加工装置において、
前記伸長器は、ファイバ伸長器であり、
前記増幅器は、ファイバ増幅器であり、
前記ファイバ伸長器と前記ファイバ増幅器と前記導光用光ファイバとが直接繋がれている、
ことを特徴とする超短パルスレーザ加工装置。
被加工眼を加工するための超短パルスレーザ加工装置において、
本体部に設けられ、フェムト秒又はピコ秒パルス種光レーザと、前記種光レーザからのレーザパルスを伸張させる圧縮器とを有するレーザヘッドと、
レーザパルスを所定の高ピークのレーザパルスに圧縮する圧縮器と、
レーザパルスを走査するスキャナを有し、前記圧縮器によって圧縮されたレーザパルスを走査して前記被加工眼に照射する出射端部と、
前記本体部から前記圧縮器へレーザパルスを導光すると共に、前記伸張器によって伸張されたレーザパルスを増幅させる光ファイバと、
前記圧縮器及び前記出射端部を、前記本体部に対して取り回し可能に支持するアームとを有し、
前記光ファイバが、コネクタを介して離脱可能に前記圧縮器に繋がれている、
ことを特徴とする超短パルスレーザ加工装置。