JP6431092B2 - 物質の光破壊的多重パルス処理技術 - Google Patents

Description

本開示は、パルス状の集束レーザ光を用いて物質を光破壊処理するための技術に関する。より詳しくは、本開示は、物質内に光破壊を起こさせるための多重パルス方式に関する。特定の実施形態において、物質は生物学的物質であり、これには人の眼細胞が含まれるが、これに限定されない。他の実施形態において、物質は非生物学的物質である。

光破壊とは、物質とその物質に入射するレーザ光との間の特定の種類の相互作用を指す。光破壊はレーザ誘起光学破壊（ＬＩＯＢと略される）と呼ばれる物理的現象から生じるものであり、レーザ光が照射されている物質内のプラズマ形成によるキャビテーションが含まれるが、これに限定されない機械的効果を伴う。光破壊は透明材料（すなわち、レーザ光を透過させる）に切開創を形成するために有益な損傷作用を有することがわかっている。ＬＩＯＢ自体はレーザ光の焦点面積に実質的に限定できるが、ＬＩＯＢ誘起キャビテーションバブルは損傷領域を焦点体積の外まで広げる可能性があり、物質内に形成される切開創の精度を劣化させる。

光破壊は、物質内に光破壊を起こさせるために入射レーザ光が特定の強度閾値を超えるべきであるという点で、強度に左右されるプロセスと考えることができる。光破壊閾値は、物質の種類ならびにレーザ光の波長およびパルス幅等の要素に依存しうる。光破壊をトリガするのに必要なエネルギー総量の物質への付与は、光の１つのパケット、すなわちパルスを通じて行っても（すなわち、単パルス印加）、時間的に連続する光の個別のパケット、すなわちパルスを通じて行っても（すなわち、多重パルス印加）よい。この連続は、１つより多い何個のパルスで構成されてもよく、連続の中のパルスが有するエネルギーは同じでも、異なっていてもよい。多重パルス印加の場合、連続の中の各パルスのエネルギーは、単パルス印加に適用可能な閾値エネルギーより小さくてよい（物質、波長、パルス幅、および焦点寸法を同じとする）が、それでもパルスの連続の累積的作用は光破壊を起こせるということがこれまでに観察されている。また、キャビテーションの損傷寸法は、単パルス印加より多重パルス印加のほうが短くてもよく、それゆえ、損傷領域が縮小され、切断精度が高まることも観察されている。

従来の二重パルス印加は、生物学的物質の複数の加工部位の各々において光破壊を起こさせることを含み、一度にレーザ光が照射されるのは、加工部位のうちの１つのみである。各加工部位には、比較的低エネルギーの先行パルスおよびそれに続く比較的高エネルギーの主パルスが照射され、この主パルスが、照射されている加工部位に光破壊を起こさせる。加工部位のうちの１つで光破壊が起こされた後、スキャナがレーザ光の焦点を次の加工部位へと移動させて、新たな先行パルスと主パルスのペアを印加する。

本発明の実施形態によれば、生物学的または非生物学的物質をレーザ加工する方法は、パルス式レーザ光の回折ビームを供給するステップと、物質の標的位置に回折ビームの光パルスセットからの光を照射し、その標的位置において光破壊を起こさせるステップと、を含み、光パルスセットからの各光パルスは回折ビームの断面部分で標的位置に入射し、断面部分は回折ビームの強度極大値を含み、そのセットのうちの少なくともパルスサブセットのビーム断面部分は各々、異なる強度極大値を含む。

この方法はそれゆえ、標的位置にレーザビームの、時間的にずれた複数のパルスからの光が照射されるという点で、多重パルス印加を実現する。ビームの回折により、各パルスの横断方向の強度分布は複数の（すなわち、２つまたはそれ以上の）強度極大値を示す。光破壊は、複数の横断方向のパルスセグメントを空間的に重複するように物質に照射することによって起こされ、その各々はレーザ光の時間的に異なるパルスに属し、また、各々は回折ビームの複数の強度極大値のうちの１つのみを含む。横断方向のセグメントは、本明細書において、回折ビームの断面部分とも呼ばれる。光破壊を実現するために必要なパルスセットのうちの少なくともサブセットに関して、ビームはサブセットの連続パルス間で横断方向に、すなわちビームの伝搬方向に対して垂直に移動されてよい。回折ビームを横断方向に移動させる（または、走査する）ことによって、少なくともサブセットの各パルスが、それぞれ異なる強度極大値を含むビーム断面部分で標的位置に照射される。特定の実施形態において、ビームはセットの全パルス間で横断方向に走査され、横断方向セグメントの１つにより包含される強度極大値は、横断方向セグメントの他の何れによっても包含されない。

当初の回折限界ビームを回折させることにより、複数の部分ビームを作ることができ、その各々が回折ビームの複数の強度極大値からの異なる強度極大値に関連付けられる。特定の実施形態において、部分ビームの焦点は、ｘ−ｙ−ｚ座標系における共通のｘ−ｙ平面内にあってもよく、ｚは回折ビームの伝搬方向を指し、ｘ−ｙはｚ方向と直交する方向を指す。この場合、回折ビームの横断方向の走査によって、ｘ−ｙ平面に関して平行な切断平面を有する、２次元方向に広がる切開創を作ることができる。他の実施形態において、部分ビームの少なくともいくつかの焦点は異なるｘ−ｙ平面内にあってもよく、すなわち異なるｚ位置を有する。より具体的には、特定の実施形態は、部分ビームの焦点の２次元的行列分布を提供してもよく、焦点のｚ軸は、分布の行方向に見たときには変化するが、分布の列方向に見ると一定または、実質的に一定に保たれる。すると、回折ビームを列方向に横断方向に走査することにより、ｘ−ｙ平面に関して傾斜する切断平面を有する、２次元的に広がる切開創を作ることが可能となりうる。

回折ビームにより、一度に複数の標的位置にそれぞれの横断方向のパルスセグメントを照射でき、横断方向パルスセグメントの各々はビームの異なる強度極大値を含む。このように、物質を複数の標的位置（または、加工部位）において、時間的に重複するように同時に加工できる。これによって、レーザビームの横断方向の走査速度を速めることなく、物質の所望の加工を完了させるのに必要な加工時間全体を短縮することが可能となる。

特定の実施形態において、少なくともそのサブセットのビーム断面部分は、横断平面（すなわち、レーザビームの伝搬方向を横断する）に投射されたときに別個である（すなわち、重複しない）。他の実施形態において、少なくともそのサブセットのビーム断面部分の少なくとも１つのペアは、横断平面に投射されたときに部分的に重複する。

好ましい実施形態において、回折ビームの強度極大値の点分布はビームの焦点面積内にある。点分布は、１次元分布でも２次元分布でもよい。１次元分布は、曲線に沿った規則的または不規則的分布の一方であり、この曲線はゼロ曲率および非ゼロ曲率の一方を有する。ゼロ曲率の曲線は、直線と呼ぶこともでき、非ゼロ曲率は直線ではなく、すなわち湾曲している。非ゼロ曲率の例示的な曲線はらせんおよび円である。規則的分布では、隣接する強度極大値は相互から実質的に等距離にあり、不規則的分布では、この距離は、分布の強度極大値のすべてについて等しいとはかぎらない。２次元分布は、マトリクス分布と同心円に基づく分布のうちの一方であってよい。特定の実施形態において、マトリクス分布は規則的であり、すなわち、強度極大値はマトリクスの行列方向に実質的に等しい相互距離を有する。他の実施形態において、マトリクス分布は不規則的であり、すなわち隣接する強度極大値間の距離は、行方向にも列方向にも、マトリクス内のすべての位置で等しいとはかぎらない。

特定の実施形態によれば、回折ビームの強度極大値の少なくともサブセットは線に沿って分布し、この方法は、回折ビームを標的位置の上で線の方向に移動させるステップを含む。この線は直線であってもよく、またはこの曲線は、例えば円形の曲線またはらせん曲線であってもよい。曲線は、例えば環状または部分環状の切開創（例えば、ＬＡＳＩＫ治療におけるサイドカットであり、このサイドカットは実質ベッドカットから角膜前面まで延びる）にとって有益でありうる。１つの実施形態において、回折ビームの強度極大値はすべて１本の線に沿って分布する。代替的な実施形態において、回折ビームの強度極大値の分布パターンは、例えばマトリクス状または複数の同心円状形の、相互に平行な複数の線を画定し、各線は強度極大値の異なるサブセットを含み、各サブセットに含まれる強度極大値の数は同じでも異なっていてもよい。

特定の実施形態において、線分布強度極大値、すなわち１本の同じ線に沿って分布する強度極大値は、強度値の小さい順に配置され、より小さい強度極大値は第一の時点で標的位置に入射し、より大きい強度極大値は第一の時点の後の第二の時点で標的位置に入射する。このようにして、標的位置に光パケットの時間的連続が照射され、光パケットの強度は、その連続の光パケットが次々に到達するのにつれて増大する。

実施形態によれば、線分布強度極大値はすべて強度値が異なり、それによって標的位置に入射する光パケットの時間的連続において、強度はパケットからパケットへと増大する。

他の実施形態によれば、線分布強度極大値は２つまたはそれ以上の実質的に等しい強度値を含む。特定の実施形態において、分布パターンの中の１つの同じ線に沿って分布する強度極大値の強度値はすべて実質的に等しい。

分布パターンの線に沿って配置される強度極大値間の特定の強度分布に関係なく、特定の実施形態において、光パルスセットの中の時間的に最後のパルスからの光で物質の光破壊閾値を超えることになる。換言すれば、このような実施形態において、標的位置に相互に強度の異なる光パルスセットが照射されるか、またはそれに実質的に等しい強度の光パルスセットが照射されるかを問わず、セットの中の時間的に最後のパルスは、物質に光破壊を起こさせるための多重パルス閾値を超えるという効果を有する。

前述のように、光破壊を通じた損傷を実現するための単パルス強度閾値は材料の違いによって異なる可能性がある。本発明の実施形態によれば、回折ビームの各強度極度値は、人の眼組織におけるレーザ誘起光破壊のための単パルス強度閾値より低い。単パルス強度閾値とは、レーザ光の１つのパルスを通じて人の眼組織内にＬＩＯＢとその結果としての光破壊を発生させるために適用可能な閾値である。人の眼組織としては、角膜組織、水晶体組織、および網膜組織のうちの１つが含まれるが、これらに限定されない。

実施形態によれば、本発明の方法は、物質の範囲にわたり回折ビームを所定のショットパターンに従ってビーム伝搬方向に関して横断方向に移動させて、レーザ光のパルスを各ショット位置に関して物質に送達するステップを含み、隣接するショット位置間の距離は、点分布の隣接する強度極大値間の距離に対応する。

特定の実施形態において、光パルスセットの中の時間的に最後のパルスからの光は、そのセットの中で最も高い強度を有する。具体的には、セットの中の時間的に最後のパルスからの光は、回折ビームの強度最大値を含んでいてもよい。

物質に照射され、標的位置において光破壊を起こさせるために使用される光パルスセットは、１つより大きい何個のパルスを含んでいてもよい。例えば、セットは２、３、４または５つのバルスからなっていてもよい。他の実施形態において、セットはもっと多いパルスを含んでいてもよい。例えば、パルスの数は２桁または３桁の範囲であってもよい。

レーザ光のパルスのパルス幅は、アト秒、フェムト秒、ピコ秒、またはナノ秒の範囲であってよい。

特定の実施形態において、回折ビームの、空間的に隣接する強度極大値間の距離は、ビームの焦点面積の中で、２０μｍまたは１５μｍまたは１０μｍまたは８μｍまたは６μｍまたは５μｍまたは４μｍまたは３μｍまたは２μｍ以下である。

他の態様において、本発明の実施形態は物質のレーザ加工のための装置を提供し、この装置は、パルス式レーザ光の回折限界ビームを供給するように構成されたレーザ源と、回折限界ビームを回折させて、パルス式レーザ光の回折ビームを生成するように構成された回折装置と、回折ビームを物質上に集束するように構成された集光装置と、回折ビームを時間と空間において制御して、物質の標的位置に回折ビームの光パルスセットからの光が照射され、光パルスセットからの各光パルスが標的位置において回折ビームの断面部分で入射することになるように構成されたコントローラと、を含み、断面部分は回折ビームの強度極大値を含み、セットの少なくともパルスサブセットのビーム断面部分は各々、異なる強度最大値を含む。

回折装置は、レーザビームを回折させるための少なくとも１つの光学格子を含んでいてもよい。それに加えて、またはその代わりに、回折装置は１つまたは複数のその他の回折構造を含んでいてよく、これには絞り、ブレード、音響光モジュレータ、およびホログラム（例えば、２次元または３次元ホムグラム）が含まれるが、これらに限定されない。特定の実施形態において、回折装置はＤＯＥ（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）（回折光学素子）を含み、これはその光機能のための微細構造表面を有する。

本開示のまた別の態様は、レーザ装置のコントローラにより実行されたときに、上記の方法が実行されるようにする命令を含むコンピュータプログラム製品を提供する。

本開示のさらに別の態様は、上述のコンピュータプログラム製品がその上に記憶された情報記憶媒体（例えば、ディスク、ストレージカード、またはスティック等）を提供する。

以下に、添付の図面を参照しながら本発明をさらに詳しく説明する。

ある実施形態による標的物質のレーザ外科治療装置の構成要素を概略的に示す図である。 図１の装置により発せられる集束レーザビームの、レーザ照射のための標的位置間の例示的な関係および横断方向の強度分布を示す図である。

図１は、パルス式の集束レーザ光を使って標的物質を加工するためのレーザ装置を示しており、この装置は概して１０で示されている。図１に示される例示的な状態では、装置１０は、人の眼１２に、眼１２の視力障害または疾病の場合に必要となるようなレーザ手術を施行するために使用される。例えば、装置１０は、眼１２の角膜組織、水晶体組織、硝子体素、または網膜組織に１つまたは複数の切開創を形成するために使用されてもよい。このような切開創は、屈折矯正を通じた患者の視力改善を目指した手術の一部として必要となりうる。屈折矯正眼科手術の１つの例示的な種類はＬＡＳＩＫ（Ｌａｓｅｒ ｉｎ−ｓｉｔｕ Ｋｅｒａｔｏｍｉｌｅｕｓｉｓ）である。言うまでもなく、装置１０の適用可能性はＬＡＳＩＫ手術の過程で眼１２に切開創を形成することに限定されない。１つまたは複数の切開創を眼１２に形成することを必要とする他の種類の眼科手術も同様に装置１０を使って実行してよく、このような他の種類の手術には、角膜内レンチクル抜去術、角膜移植（層状または全層）、白内障手術その他が含まれるが、これらに限定されない。さらに、装置１０は、非生物学的物質のレーザ加工、例えばフォトリソグラフィの用途にも有益でありうる。

装置１０は、レーザ装置１０のｘ−ｙ−ｚ座標系の中の１つまたは複数のｘ−ｙ平面内に並列配置された光破壊ストリングを１本または複数本形成する必要のある用途に特に有益であるかもしれない。本明細書で使用されるかぎり、ｚはビームの長手方向を指し、ｘ−ｙはビームの伝搬方向に関する横断平面を指す。ストリングは、直線ストリングでも湾曲ストリングでもよい。光破壊直線ストリングは、ビーム焦点が蛇行走査経路のうちの直線経路部分に沿って移動されるたびに形成されてもよく、これは相互に平行に延びる複数の直線経路部分を含み、直線経路部分の中の隣接部分は終端で逆行経路部分により接続される。蛇行走査パターンは、ｘ−ｙ平面内に２次元的に広がる切開創、例えば、ＬＡＳＩＫのフラップ用ベッドカットを形成するのに有益であるかもしれず、ベッドカットはフラップの実質ベッドを画定する。これに対して、光破壊湾曲ストリングは、ビーム焦点がｘ−ｙ平面内で、例えばＬＡＳＩＫ手術においてベッドカットの周縁から角膜前面へと延びる横方向切開創を形成するために必要となるような湾曲した、例えば円形の線に沿って移動されている間に形成できる。

装置１０は、レーザ源１４と、ビームエキスパンダ１６と、回折装置１８と、スキャナ２０と、集光対物レンズ２２と、制御ユニット２４と、メモリ２６と、メモリ２６の中に記憶された、制御ユニット２４の動作を制御するための制御プログラム２８と、を含む。

レーザ源は、レーサ光の規則的な（すなわち、周期的な）パルス３２の列からなる回折限界レーザビーム３０を生成する。図１のレーザパルス３２のいくつかの概略図からわかるように、レーザパルス３２の空間的（すなわち、横断方向の）強度分布はガウス分布または準ガウス分布である。レーザ源１４により生成されるレーザ光の波長は、装置１０から発せられる光が眼１２（または、より一般的には標的物質）の標的組織の中に、多重パルス印加を通じてＬＩＯＢとその結果としての光破壊を実現するのに十分なだけ貫通できるように適切に選択される。例えば人の眼の治療に関して、レーザ波長は約７００ｎｍ〜約１９００ｎｍの間の赤外線範囲であっても、または約３００ｎｍより高い紫外線範囲であってもよい。他の物質の処理には、他の波長が適しているかもしれない。レーザ源１４により生成されるレーザパルスのパルス幅は、アト秒およびナノ秒の間のどこかであってもよく、例えば、２桁または３桁のフェムト秒の範囲である。

ビームエキスパンダ１６は、レーザビーム３０をそれ自体一般に知られた方法で、発散レンズと、レーザビーム３０の伝搬方向に関して発散レンズの下流に配置された集束レンズを含むガリレオ顕微鏡等を使って拡張させる。ビームエキスパンダ１６から出力される拡張レーザビームは、図１において３０_expで示され、レーザパルス３２_expの周期的列で構成される。図１に概略的に示されているように、拡張レーザビーム３０_expのレーザパルス３２_expは、回折限界レーザビーム３０のレーザパルス３２より断面積は大きいが、最大強度が小さい。

回折装置１８は、拡張レーザビーム３０_expを回折させて、回折レーザビーム３０_diffを生成するのに有効である。回折レーザビーム３０_diffは、回折レーザパルス３２_diffからなる。図１に概略的に示されるように、回折レーザパルス３２_diffは各々、複数の強度極大値３６_i（指数ｉは１からＮの数値をとり、Ｎは回折レーザパルス３２_diffの強度極大値の総数を示す）を示す空間的（すなわち、横断方向の）強度分布を有する。回折パターン、すなわち横断方向強度分布は、その列のすべての回折パルス３２_diffについて同じである。容易に理解できるように、空間的に隣接する１対の強度極大値は強度極大値（図中には具体的に示さず）だけ分離される。

図１の例示的なケースにおいて、回折パルス３２_diffは各々、２つの強度極大値３６₁、３６₂を有する。理解するべき点として、装置１０は、正確に２つの強度極大値を有する回折レーザパルスを生成することに限定されるとは意図されていない。その代わりに、回折装置１８は、例えば３つ、４つ、５つ、または６つの極大値等、２つより多い何個の強度極大値を持つ回折レーザパルスを生成するようにも構成されてよい。これらの極大値は、例えば直線に沿った１次元分布パターンでも、例えばマトリクスパターンのような２次元分布パターンでもよい。

図１に示される例示的なケースにおいて、各回折パルス３２_diffの強度極大値３６₁、３６₂の強度は異なる。理解するべき点として、他の実施形態では、強度極大値３６₁、３６₂の強度が実質的に等しくてもよい。一般に、強度極大値の総数に関係なく、回折ビーム３０_diffの断面強度分布は、実質的に等しい大きさの２つまたはそれ以上の強度極大値および、その代わりに、またはそれに加えて、等しくない大きさの２つまたはそれ以上の強度極大値を示してもよい。

回折装置１８は少なくとも１つの回折部材を含み、これは、レーザ光のために、光が回折部材を横断する際に回折させる効果を有する。回折装置１８の中で使用可能な例示的な回折部材は回折光学素子（ＤＯＥ）であり、これは透明基板（例えばガラス基板）を有する光学素子を指すものと一般に理解されており、フォトリソグラフィプロセスを通じて、当初のビームパターンを異なるビームパターンに変換するために有効な１つまたは複数の微細格子構造を有するようにパターニングされている。例えば、回折装置１８は、レーザビーム３０_expの横断方向（すなわち、ｘ−ｙ）ビームパターンを回折ビーム３０_diffのドットラインパターンまたはドットマトリクスパターンに変換するように構成されていてもよく、回折パターンの各ドットは回折ビーム３０_diffの強度極大値を含む。ホログラフ光学素子（ＨＯＥ）は、レーザ光のための所望の回折効果を実現するために有益な回折部材の別の例である。

本明細書中で特に示されていない実施形態では、回折装置１８は、ビームエキスパンダ１６の上流に配置されてもよい。

集光対物レンズ２２は、回折ビーム３０_diffを集束し、その結果、集束レーザビーム３０_focとする（図１において破線で概略的に示されている）。集光対物レンズ２２は、例えばＦ−シータ型であってもよく、シングルレンズ対物レンズでも、マルチレンズ対物レンズでもよい。集束レーザビーム３０_focは、集束レーザパルス３２_focの周期的連続からなり、そのうちの１つが図１において例示目的のために概略的に示されている。装置１０から発せられた集束レーザパルス３２_focの繰返し率はｋＨｚ、ＭＨｚまたはＧＨｚの範囲であり、例えば、５０ｋＨｚ〜５ＭＨｚ、または５ＭＨｚ〜５０ＭＨｚ、または５０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ、または１００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの範囲、または最高１ＧＨｚまたはそれ以上の範囲内である。

装置１０は、集束レーザビーム３０_focの焦点位置をｚ方向へと（すなわち、ビーム伝搬方向へと）長手方向に調整できるようにし、かつ、焦点位置をｘ−ｙ平面内で横断方向に調整できるようにするのに適した走査構造が備えられている。ビーム焦点のｘ−ｙ走査に関して、スキャナ２０は、当業界でそれ自体一般に知られている方法で、１対の走査ミラー３７を含んでいてもよく、これらは図１においてスキャナ２０を示すボックス内部に概略的に示されているように、相互に直交するチルト軸の周囲で傾斜可能に配置される。ビーム焦点のｚ走査について、ビームエキスパンダ１６は、拡張レーザビーム３０_expを可変的程度で発散させるように適切に調整可能に構成された光学素子（図に示さず）を含んでいてもよい。このような光学素子は、例えば、可変的屈折力のレンズまたは、ビーム伝搬方向において位置的に調整可能に配置されたレンズで構成されてもよい。異なる実施形態において、装置１０のその他の部品、例えばスキャナ２０または集光対物レンズ２２にはｚ走査能力が備えられていてもよい。

制御ユニット２４は、制御プログラム２８の制御を受けて装置１０の動作全体を制御し、特に、レーザ源１４と、スキャナ２０を含む装置１０の走査構造の動作を制御する。制御プログラム２８は複数のショット位置からなるショットパターンを規定し、その各々は装置１０のｘ−ｙ−ｚ座標系のｘ、ｙおよびｚ座標値集合により表され、ショットパターンは、眼１２に所望の形状の切開創が形成されるように設計される。各ショット位置は、装置１０が１つのレーザショット（すなわち、１つの集束パルス３２_foc）を発することに対応する。

集束ビーム３０_focの焦点がショットパターンに従って眼１２の標的領域（この標的領域は眼１２の外面にあっても眼１２の中にあってもよい）を横断方向に（すなわち、ｘ−ｙ平面内で）移動されると、眼１２の表面または内部の同じ位置に複数の集束バルス３２_focからの光が連続的に照射され、眼組織内のその位置に、閾値以下のパルスの複合物からのエネルギーが組織内に堆積する累積的効果として光破壊が起こる。このことを、図２をさらに参照しながら以下に詳しく説明する。

図２は、ｘ−ｙ平面内のベッドカット３８の輪郭を非限定的な例として示している。ベッドカット３８は、ｘ−ｙ平面内で２次元的に広がる切開創であり、ＬＡＳＩＫ術の過程で眼１２の角膜内に作られる角膜フラップのための実質ベッドを画定する役割を果たすことができる。３８ａはヒンジラインを示し、それに沿ってフラップが周辺角膜組織とつながったままであり、それによってフラップを横開きに折り曲げて、後でＵＶレーザ光（例えば、エキシマレーザ光）を使って組織の所定の体積を除去するために下の角膜組織を露出させることができる。ベッドカット３８を形成するためには、ｘ−ｙ平面内で並列配置される複数の損傷部位の各々において光破壊が起こされ、それによって複数の光破壊に関連する組織損傷の結果、ベッドカット３８が形成される。

ベッドカット３８を形成するためのビームショットパターンの一部が、図２においてベッドカット３８の右側に概略的に示されており、行列のマトリクス形式で配置されたショット位置４０を含んでいる。図２はさらに、集束ビーム３０_focの４つの例示的なドットパターン４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄを概略的に示している。ドットパターン４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄは、ビーム焦点の面積内の集束ビーム３０_focのｘ−ｙエネルギー分布（および、したがってｘ−ｙビームパターン）を表すためのグラフィカルツールであり、エネルギーのうちの全部でなくとも大部分がドットにより表される領域（「ドット領域」）に集中し、これらの領域の外側に当たる光エネルギーは、あったとしてもごくわずかである。ドットパターン４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄの各々は、装置１０の回折装置１８の異なる構成に対応する。ドットパターンの各ドットは、集束ビーム３０_focの別個の断面（すなわち、ｘ−ｙ）セグメントを表し、集束ビーム３０_focのそれぞれの強度極大値３６_iを示すことができる。図の例において、ドットパターンのドットの色の違いは、ドット領域の異なる強度極大値３６_iを示し、および／またはドット領域の異なるエネルギーを表すことができる。より具体的には、図２に示されている例示的なケースにおいて、黒いドットはグレーのドットより強度が高く、および／またはエネルギーのより大きい強度極大値３６_iを表し、グレーのドットは白いドットより強度が高く、および／またはエネルギーのより大きい強度極大値３６_iを表す。

ドットパターン４２ａ、４２ｂは各々、ドットラインパターンとして構成されており、すなわち、これらのドットは１本の線に沿って分布し、これは図の例字的なケースでは直線である。ドットパターン４２ａ、４２ｂに関して、集束ビーム３０_focは、各々のケースにおいて３つの強度極大値３６_iの合計を含み、その結果、それはパターン４２ａ、４２ｂの各々において３つのドットの合計となる。ドットパターン４２ａにおいて、ドットは強度の異なる強度極大値３６_iを表し、これはドットパターン４２ａのドットの色の違いで示されている。関連する例示的な横断方向の強度分布４４ａが、図２においてドットパターン４２ａの右側に示されている。図からわかるように、強度分布４４ａは、強度の異なる強度極大値３６₁、３６₂、３６₃を示す。

これに対して、ドットパターン４２ｂにおいては、ドットパターン４２ｂのすべてのドットの同じ色によって示されているように、同じ、または実質的に同じ強度の強度極大値３６_iを表す。関連する例示的な横断方向の強度分布４４ｂが、図２においてドットパターン４２ｂの右側に示されている。図からわかるように、強度分布４４ｂは等しい強度の強度極大値３６₁、３６₂、３６₃を示す。

ドットパターン４２ｃ、４２ｄは各々、ドットマトリクスパターンとして構成されており、すなわち、これらのドットはｍ行とｎ列を有するｍ×ｎマトリクスに配置される（ｍとｎは１より大きい整数）。具体的には、ドットパターン４２ｃは３×５のドットマトリクスであり、ドットパターン４２ｄは３×３のドットマトリクスである。マトリクスの行の中で、集束ビーム３０_focの強度極大値は、等しい強度（ドットパターン４２ｃの場合）でも、異なる強度（ドットパターン４２ｄの場合）でもよい。しかし、各行は、マトリクスの他の行の何れとも同じ、または実質的に同じ強度分布を表す。

特定の実施形態において、その焦点面積内の集束ビーム３０_focのｘ−ｙ断面は、エネルギーの円形セグメントへの集中を示しており、例えばこれは、図２に示されるドットの円形の形状により描かれている。それでもなお、指摘するべき点として、本開示の範囲はこのような実施形態に限定されるとは一切意図されず、焦点ビーム３０_focは、その焦点面積内で空間的に発散された複数の強度極大値を有するエネルギーの何れの適当なｘ−ｙ分布を示してもよい。集束ビーム３０_focのドットパターンの概念は、本明細書においては、本発明および、特に回折レーザビームの時間的に連続するパルスの少なくとも部分的に重複しない横断方向のセグメントからの光を空間的に重ねることによって標的物質の中に光破壊を起こさせるという概念を理解しやすくすためにのみ使用される。

各ドット領域の直径は、１μｍ〜１０μｍ、または２μｍ〜８μｍ、または３μｍ〜６μｍの間であってもよく、回折装置１８を取り除いた後に装置１０により生成可能な非回折ビームの焦点直径と実質的に等しくてもよい。

ｘ−ｙ平面内のショットパターンの中の隣接するショット位置４０の相互距離は、図２においてｄ１として示され、例えば１μｍ〜１０μｍの間、または２μｍ〜８μｍの間、または３μｍ〜６μｍの間の範囲である。ｘ−ｙ平面内の集束ビーム３０_foc（ビーム焦点の面積内）の隣接する強度極大値３６_iの相互距離は、図２においてｄ２として示され、距離ｄ１と実質的に等しい。集束ビーム３０_focのためのｘ−ｙ走査経路は、図２において４６で概略的に示されているような蛇行走査経路として規定されてもよく、蛇行走査経路４６は、逆転用経路４６ｂにより終端で接続される相互に平行な直線経路部分４６ａを含む。

したがって、集束ビーム３０_focが、例えば蛇行走査経路４６のような所定の走査経路に従ってｘ−ｙ平面内のショット位置４０を通って移動される間に、眼１２の表面上またはその内部の同じ位置に、集束ビーム３０_focのパルスセットからの異なるビーム断面部分からの光が連続的に照射される。例えば、ドットラインパターン４２ａに対応する集束ビーム３０_focの回折パターンを考えると、集束ビーム３０_focの第一のパルスは、眼１２の、ショット位置４０のうちの１つに関連する具体的な位置に、ドットのうちの１つ、例えばドットパターン４２ａのドットの中で最も低いピーク強度を表す左の白いドットからの光を照射する。集束ビーム３０_focが所定の走査経路に従って連続パルス間の距離ｄ１だけ移動されると、集束ビーム３０_focの後続の第二のパルスは、集束ビーム３０_focの別のドット、例えば中間のピーク強度を表す中央のグレーのドットからの光を同じ位置に、すなわち同じショット位置４０に当てる。集束ビーム３０_focがその後、また別の時間に所定の走査経路に従って距離ｄ１だけ移動されると、集束ビーム３０_focの第三のパルスは、第三のドット、例えば最も高いピーク強度を表す右の黒いドットからの光を眼１２の同じ位置に当てて、最終的に眼組織の中の、対応するショット位置４０において光破壊を起こさせる。同様の考えは、集束ビーム３０_focがドットパターン４２ｂに対応するエネルギー／強度分布を有する場合にも適用される。

このようにして、多重パルスの使用は、回折された集束ビーム３０_focを使って実現できる。光破壊は、集束ビーム３０_focの異なる断面部分からのエネルギーがビームのパルスの連続が照射された物質内に堆積されることによって起こる。光破壊を起こさせるのに必要な閾値には、（例えばドットパターン４２ａの場合のような）異なるピーク強度／エネルギーのビーム段面部分、または（例えばドットパターン４２ｂの場合のような）実質的に等しいピーク強度／エネルギーのビーム断面部分を使って到達されてもよい。好ましい実施形態において、照射された物質の特定の位置に入射するパルスの連続の中の最後のパルスが最終的に物質内の光破壊をトリガする。換言すれば、光破壊の適用可能な閾値が超えられるのは、このような実施形態において、連続の中の最後のパルスが到達したときのみである。

集束ビーム３０_focが複数のショット位置４０をカバーする領域にわたってそのエネルギーが広がる回折ビームであるという事実により、また、さらには、集束ビーム３０_focが連続パルス間でｘ−ｙ平面内において距離ｄ１だけ移動するという事実により、一度に複数のショット位置４０に集束ビーム３０_focからの光を照射できる。集束ビーム３０_focのあるパルス繰返し率とビームあるｘ−ｙ走査速度の場合に、これによって、回折限界レーザビームを使って、複数の連続パルスを同じショット位置に当てた後に隣接するショット位置までビームを走査する従来の多重パルスの使用と比較して、所望の切開創（例えば、ベッドカット３８または角膜内レンチクルのための後方または前方カット（図示せず））を形成するために必要な総時間を短縮できる。

全体としての加工時間は、レーザビームを回折させて、パターン４２ｃまたはパターン４２ｄのようなマトリクスドットパターンを生成することにより、さらに削減できる。パターン４２ｃまたはパターン４２ｄのような２次元ドットパターンにより、複数の平行な線のショット位置４０で同時に標的物質に照射することが可能となり、それによって、蛇行走査経路４０の隣接する直線経路部分４６ａ間のピッチ（距離）を、マトリクスドットパターンによりカバーされるショット位置４０の線の数に対応して増やすことができる。パターン４２ｃまたは４２ｄのような２次元ドットパターンは、例えば２次元光学格子またはホログラムを使って生成されてもよい。

ドットパターン４２ｃ、４２ｄにおいて、ドット領域は各々回折ビームの部分ビームを表してもよく、各部分ビームはそれに関連する焦点を有する。特定の実施形態によれば、部分ビームの焦点は、すべて同じ、または実質的に同じｚ位置を有する。他の実施形態によれば、部分ビームの焦点は、すべてが同じｘ−ｙ平面内にあるとはかぎらない。例えば、ドットパターン４２ｄにおいて、焦点位置は、それが部分ビームから部分ビームへとマトリクスの行方向に（すなわち、図中、水平に）移動するときにｚ方向に一定であってもよく、焦点位置は、それが部分ビームから部分ビームにマトリクスの列方向に（すなわち、図中、縦に）移動するときにｚ方向に変化してもよい。それゆえ、マトリクスの同じ行からの白、グレー、黒のドットの３点セットに関連する部分ビームが、それらの焦点を同じｚ位置に有する一方で、３つの黒いドットに関連する部分ビームは、焦点が異なるｚ位置にあってもよい（そして、３つのグレードットに関連する部分ビームおよび３つの白いドットに関連する部分ビームについても同様である）。
本明細書に開示される発明は以下の態様を含む。
〔態様１〕
生物学的または非生物学的物質をレーザ加工する方法において、
パルス式レーザ光の回折ビームを供給するステップと、
前記物質の標的位置に前記回折ビームの光パルスセットからの光を照射し、前記標的位置において光破壊を起こさせるステップと、
を含み、
前記光パルスセットからの各光パルスは前記標的位置に前記回折ビームの断面部分で入射し、前記断面部分は前記回折ビームの強度極大値を含み、前記セットのうちの少なくともパルスサブセットの前記ビーム断面部分は各々、異なる強度極大値を含む、方法。
〔態様２〕
少なくとも前記サブセットの前記ビーム断面部分は、横断平面に投射されたときに別個である、態様１に記載の方法。
〔態様３〕
少なくとも前記サブセットの前記ビーム断面部分の少なくとも１つのペアは、横断平面に投射されたときに部分的に重複する、態様１に記載の方法。
〔態様４〕
前記回折ビームの強度極大値の点分布が前記ビームの焦点面積内にある、態様１から態様３のいずれか一つの態様に記載の方法。
〔態様５〕
前記点分布は、１次元分布である、態様４に記載の方法。
〔態様６〕
前記１次元分布は、曲線に沿った規則的または不規則的分布のうちの一方であり、前記曲線はゼロ曲率および非ゼロ曲率のうちの一方を有する、態様５に記載の方法。
〔態様７〕
前記点分布は２次元分布である、態様４に記載の方法。
〔態様８〕
前記２次元分布は、マトリクス分布および同心円に基づく分布のうちの一方である、態様７に記載の方法。
〔態様９〕
前記回折ビームの前記強度極大値の少なくともサブセットは線に沿って分布し、前記方法は、前記回折ビームを前記標的位置の上で前記線の方向に移動させるステップを含む、態様４から態様８のいずれか一つの態様に記載の方法。
〔態様１０〕
前記線に沿って分布する前記強度極大値は異なる強度値の２つまたはそれ以上の最大値を含む、態様９に記載の方法。
〔態様１１〕
前記線に沿って分布する前記強度極大値は、強度値の小さい順に配置され、より小さい強度極大値が第一の時点で前記標的位置に入射し、より大きい強度極大値は前記第一の時点の後の第二の時点で前記標的位置に入射する、態様１０に記載の方法。
〔態様１２〕
前記線に沿って分布する前記強度極大値は、実質的に等しい強度値の２つまたはそれ以上の最大値を含む、態様１０または１１に記載の方法。
〔態様１３〕
前記光パルスセットの中の時間的に最後のパルスからの光によって、前記物質の破壊閾値を超えることになる、態様１から態様１２のいずれか一つの態様に記載の方法。
〔態様１４〕
前記回折ビームの各強度極大値は、人の眼組織にレーザ誘起光学破壊を起こさせる単パルス強度閾値より低い、態様１から態様１３のいずれか一つの態様に記載の方法。
〔態様１５〕
前記回折ビームを前記物質を通じて所定のショットパターンに従ってビーム伝搬方向に関して横断方向に移動させ、前記ショットパターンにより画定される複数のショット位置の各々において光破壊を起こさせるステップを含み、
隣接するショット位置間の距離は、前記点分布の隣接する強度極大値間の距離に対応する、態様４から態様１４のいずれか一つの態様に記載の方法。
〔態様１６〕
前記光パルスセットの中の時間的に最後のパルスからの前記光は、前記セットの中で最も高い強度を有する、態様１から態様１５のいずれか一つの態様に記載の方法。
〔態様１７〕
前記セット内の前記時間的に最後のパルスからの前記光は、前記回折ビームの強度最大値を含む、態様１６に記載の方法。
〔態様１８〕
前記セットは２つまたはそれ以上の光パルスからなる、態様１から態様１７のいずれか一つの態様に記載の方法。
〔態様１９〕
前記物質は人の眼組織である、態様１から態様１８のいずれか一つの態様に記載の方法。
〔態様２０〕
前記レーザ光のパルス持続時間はアト秒、フェムト秒、ピコ秒、またはナノ秒の範囲内である、態様１から態様１９のいずれか一つの態様に記載の方法。
〔態様２１〕
前記回折ビームの空間的に隣接する強度極大値の距離は、ビームの焦点面積の中で、２０μｍまたは１５μｍまたは１０μｍまたは８μｍまたは６μｍまたは５μｍまたは４μｍまたは３μｍまたは２μｍ以下である、態様１から態様２０のいずれか一つの態様に記載の方法。
〔態様２２〕
物質のレーザ加工のための装置において、
パルス式レーザ光の回折限界ビーム（３０）を供給するように構成されたレーザ源（１４）と、
前記回折限界ビームを回折させて、パルス式レーザ光の回折ビーム（３０diff）を生成するように構成された回折装置（１８）と、
前記回折ビームを前記物質上に集束させるように構成された集光装置（２２）と、
前記回折ビームを時間と空間において制御して、前記物質の標的位置に前記回折ビームの光パルスセットからの光を照射し、前記光パルスセットからの各光パルスが前記標的位置において前記回折ビームの断面部分で入射することになるように構成されたコントローラ（２４）と、
を含み、
前記断面部分は前記回折ビームの強度極大値を含み、前記セットの前記パルスの少なくともサブセットの前記ビーム断面部分は各々、異なる強度最大値を含む装置。
〔態様２３〕
少なくとも前記サブセットの前記ビーム断面部分は、横断平面に投射されたときに別個である、態様２２に記載の方法。
〔態様２４〕
少なくとも前記サブセットの前記ビーム断面部分の少なくとも１つのペアは、横断平面に投射されたときに部分的に重複する、態様２２に記載の装置。
〔態様２５〕
前記回折ビームの強度極大値の点分布が前記ビームの焦点面積内にある、態様２２から態様２４のいずれか一つの態様に記載の装置。
〔態様２６〕
前記点分布は１次元分布である、態様２５に記載の装置。
〔態様２７〕
前記１次元分布は、曲線に沿った規則的または不規則的分布のうちの一方であり、前記曲線はゼロ曲率および非ゼロ曲率のうちの一方を有する、態様２６に記載の装置。
〔態様２８〕
前記点分布は２次元分布である、態様２５に記載の装置。
〔態様２９〕
前記２次元分布は、マトリクス分布および同心円に基づく分布のうちの一方である、態様２８に記載の装置。
〔態様３０〕
前記回折ビームの前記強度極大値の少なくともサブセットは線に沿って分布し、前記コントローラは、前記回折ビームを制御して前記標的位置の上で前記線の方向に移動させるように構成されている、態様２５から態様２９のいずれか一つの態様に記載の装置。
〔態様３１〕
前記線に沿って分布する前記強度極大値は異なる強度値の２つまたはそれ以上の極大値を含む、態様３０に記載の装置。
〔態様３２〕
前記線に沿って分布する前記強度極大値は、強度値の小さい順に配置され、より小さい強度極大値が第一の時点で前記標的位置に入射し、より大きい強度極大値は前記第一の時点の後の第二の時点で前記標的位置に入射する、態様３１に記載の装置。
〔態様３３〕
前記線に沿って分布する前記強度極大値は、実質的に等しい強度値の２つまたはそれ以上の最大値を含む、態様３１または態様３２に記載の装置。
〔態様３４〕
前記回折ビームの各強度極大値は、人の眼組織にレーザ誘起光学破壊を起こさせる単パルス強度閾値より低い、態様２２から態様３３のいずれか一つの態様に記載の装置。
〔態様３５〕
前記コントローラは、前記回折ビームを制御して、前記物質を通じて前記ビームを所定のショットパターンに従ってビーム伝搬方向に関して横断方向に移動させ、前記ショットパターンにより画定される複数のショット位置の各々において光破壊を起こさせるように構成され、隣接するショット位置間の距離は、前記点分布の隣接する強度極大値間の距離に対応する、態様２６から態様３４のいずれか一つの態様に記載の装置。
〔態様３６〕
前記光パルスセットの中の時間的に最後のパルスからの前記光は、前記セットの中で最も高い強度を有する、態様２２から態様３５のいずれか一つの態様に記載の装置。
〔態様３７〕
前記セット内の前記時間的に最後のパルスからの前記光は、前記回折ビームの強度最大値を含む、態様３６に記載の装置。
〔態様３８〕
前記セットは２つまたはそれ以上の光パルスからなる、態様２２から態様３７のいずれか一つの態様に記載の装置。
〔態様３９〕
前記回折装置は、絞り、ブレード、音響光学モジュレータ、回折光学素子、光学格子、およびホログラフ格子のうちの少なくとも１つを含む、態様２２から態様３８のいずれか一つの態様に記載の装置。
〔態様４０〕
前記レーザ光のパルス持続時間はアト秒、フェムト秒、ピコ秒、またはナノ秒の範囲内である、態様２２から態様３９のいずれか一つの態様に記載の装置。
〔態様４１〕
前記回折ビームの空間的に隣接する強度極大値の距離は、前記ビームの焦点面積の中で、２０μｍまたは１５μｍまたは１０μｍまたは８μｍまたは６μｍまたは５μｍまたは４μｍまたは３μｍまたは２μｍ以下である、態様２２から態様４０のいずれか一つの態様に記載の装置。
〔態様４２〕
レーザ装置のコントローラにより実行されたときに、態様１から態様２１のいずれか一つの態様に記載の方法が実行されるようにする命令を含むコンピュータプログラム製品。
〔態様４３〕
態様４２に記載のコンピュータプログラム製品を記憶する情報記憶媒体。

Claims (20)

1. 物質のレーザ加工のための装置において、
   前記物質は、眼またはフォトリソグラフィ用途における非生物的物質であり、
   パルス式レーザ光の回折限界ビーム（３０）を供給するように構成されたレーザ源（１４）と、
   前記回折限界ビームを回折させて、パルス式レーザ光の回折ビーム（３０ _diff ）を生成するように構成された回折装置（１８）と、
   前記回折ビームを前記物質上に集束させるように構成された集光装置（２２）と、
   前記回折ビームを時間と空間において制御して、前記物質の標的位置に前記回折ビームの光パルスセットからの光を照射し、前記光パルスセットからの各光パルスが前記標的位置において前記回折ビームで入射することになるように構成されたコントローラ（２４）と、
   を含み、
   前記回折ビームの断面部分は、前記回折ビームの強度極大値を含み、前記セットの前記パルスの少なくともサブセットの前記ビーム断面部分は各々、異なる強度極大値を含む、装置。
2. 少なくとも前記サブセットの前記ビーム断面部分は、横断平面に投射されたときに別個である、請求項１に記載の装置。
3. 少なくとも前記サブセットの前記ビーム断面部分の少なくとも１つのペアは、横断平面に投射されたときに部分的に重複する、請求項１に記載の装置。
4. 前記回折ビームは、前記ビームの焦点面積内に強度極大値の点分布を有する、請求項１から請求項３のいずれか一つの請求項に記載の装置。
5. 前記点分布は１次元分布である、請求項４に記載の装置。
6. 前記１次元分布は、曲線に沿った規則的または不規則的分布のうちの一方であり、前記曲線はゼロ曲率および非ゼロ曲率のうちの一方を有する、請求項５に記載の装置。
7. 前記点分布は２次元分布である、請求項４に記載の装置。
8. 前記２次元分布は、マトリクス分布および同心円に基づく分布のうちの一方である、請求項７に記載の装置。
9. 前記回折ビームの前記強度極大値の少なくともサブセットは線に沿って分布し、前記コントローラは、前記回折ビームを制御して前記標的位置の上で前記線の方向に移動させるように構成されている、請求項４から請求項８のいずれか一つの請求項に記載の装置。
10. 前記線に沿って分布する前記強度極大値は異なる強度値の２つまたはそれ以上の極大値を含む、請求項９に記載の装置。
11. 前記線に沿って分布する前記強度極大値は、強度値の小さい順に配置され、より小さい強度極大値が第一の時点で前記標的位置に入射し、より大きい強度極大値は前記第一の時点の後の第二の時点で前記標的位置に入射する、請求項１０に記載の装置。
12. 前記線に沿って分布する前記強度極大値は、実質的に等しい強度値の２つまたはそれ以上の極大値を含む、請求項１０または請求項１１に記載の装置。
13. 前記回折ビームの各強度極大値は、人の眼組織にレーザ誘起光学破壊を起こさせる単パルス強度閾値より低い、請求項１から請求項１２のいずれか一つの請求項に記載の装置。
14. 前記回折ビームは、前記ビームの焦点面積内に強度極大値の点分布を有し、
    前記コントローラは、前記回折ビームを制御して、前記物質を通じて前記ビームを所定のショットパターンに従ってビーム伝搬方向に関して横断方向に移動させ、前記ショットパターンにより画定される複数のショット位置の各々において光破壊を起こさせるように構成され、隣接するショット位置間の距離は、前記点分布の隣接する強度極大値間の距離に対応する、請求項５から請求項１３のいずれか一つの請求項に記載の装置。
15. 前記光パルスセットの中の時間的に最後のパルスからの前記光は、前記セットの中で最も高い強度を有する、請求項１から請求項１４のいずれか一つの請求項に記載の装置。
16. 前記セット内の前記時間的に最後のパルスからの前記光は、前記回折ビームの強度最大値を含む、請求項１５に記載の装置。
17. 前記セットは２つまたはそれ以上の光パルスからなる、請求項１から請求項１６のいずれか一つの請求項に記載の装置。
18. 前記回折装置は、絞り、ブレード、音響光学モジュレータ、回折光学素子、光学格子、およびホログラフ格子のうちの少なくとも１つを含む、請求項１から請求項１７のいずれか一つの請求項に記載の装置。
19. 前記レーザ光は、アト秒、フェムト秒、ピコ秒、またはナノ秒の範囲内のパルス持続時間を有する、請求項１から請求項１８のいずれか一つの請求項に記載の装置。
20. 前記回折ビームの空間的に隣接する強度極大値は、前記ビームの焦点面積の中で、２０μｍまたは１５μｍまたは１０μｍまたは８μｍまたは６μｍまたは５μｍまたは４μｍまたは３μｍまたは２μｍ以下の距離を有する、請求項１から請求項１９のいずれか一つの請求項に記載の装置。

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