KR20150047615A - 투과성 재료 내부에서 레이저 절단하기 위한 장치 - Google Patents

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알프레드 포겔
노르베르트 린츠
제바스티안 프라이당크
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유니베르지테트 추 뤼베크
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Abstract

본 발명은 투과성 재료(23)에 대한 레이저 절단 장치와 관련이 있으며, 상기 레이저 절단 장치는 레이저 광(2)을 상기 재료(23) 내부의 사전 설정된 다수의 스팟(spot)에 포커싱(focusing) 하도록 형성되었고, 이때 상기 스팟들은 대체로 상기 레이저 광(2)의 방사 방향에 대해 수직으로 진행하는 사전 설정된 절단선 또는 절단면(24)상에 놓이며, 이때 상기 장치는 상기 레이저 광(2)의 빔 경로 내로 반입 및 반출 가능한, 나선형 상면(helical phase front)을 갖는 레이저 광(5)으로 모드 변환하기 위한 수단(3)을 포함한다.

Description

투과성 재료 내부에서 레이저 절단하기 위한 장치 {DEVICE FOR LASER CUTTING WITHIN TRANSPARENT MATERIALS}
본 발명은 투과성 재료에 대한 레이저 절단 장치와 관련이 있으며, 상기 레이저 절단 장치는 레이저 광을 상기 재료 내부의 사전 설정된 다수의 스팟(spot)에 포커싱(focusing) 하도록 형성되었고, 이때 상기 스팟들은 대체로 상기 레이저 광의 방사 방향에 대해 수직으로 진행하는 사전 설정된 절단선 또는 절단면 상에 놓인다. 본 발명은 또한, 특히 생체 눈(living eye)의 생물학적 조직을 레이저 가공하기 위한 장치와도 관련이 있다.
레이저 재료 가공시 우수한 효과를 얻기 위해서는 소량의 에너지가 국부적으로 놓이는 것이 전제되어야 한다. 예를 들어 유리, 석영, 물, 착색되지 않은 생체 조직 혹은 세포와 같이 레이저 광에 대해 투과적인 재료 내에서는, 단지 다광자 이온화(multiphoton ionization) 및 애벌런시 이온화(avalanche ionization) 형태의 다광자 과정들에 의해서만 에너지가 국부적으로 놓일 수 있는데, 상기 다광자 과정들은 플라즈마의 형성을 야기한다(전자와 이온의 혼합물로 이루어진 재료 내의 준자유 전하 캐리어(quasifree charge carrier)). 다광자 과정들의 발생이 비선형적으로 레이저 광의 강도에 의존하기 때문에, "비선형적 흡수"와 관련이 있다. 또한, 재료 및 레이저 파라미터에 의존하는 한계값 위의 플라즈마 형성비가 매우 급격하게 증가하기 때문에, 플라즈마 형성 과정은 이와 같은 파라미터 범위에서 "광학적 파괴"로도 명명된다.
비선형적 흡수에 의한 최대한으로 정확한 재료 가공은, 공간상 국부적으로 재현 가능한 소량의 에너지가 재료 내로 유입될 수 있도록(놓일 수 있도록) 한다. 공간상 우수한 국부화는 일차적으로, 수차(aberration) 없는 높은 개구수의 광학 수단에 의해 레이저 펄스가 포커싱 됨으로써 달성된다.
투과성 재료 내부에서의 절개 공정(dissection)시 종종, 레이저 빔의 방사 방향을 따라 이루어지지 않고, 오히려 레이저 빔의 방사 방향에 대한 사전 설정된 각도하에 이루어지는 절단 경로가 요구된다. 투과성 매질의 표면에 대해 평행하게 또는 거의 평행하게 정렬된 절단 공정을 발생하기 위해, 절개 공정은 심지어 빈번히 방사 방향에 대해 수직으로 또는 거의 수직으로 이루어진다. 재료의 한 층을 분리하기 위해, 종종 절단선이 생성될 뿐만 아니라, 대체로 재료의 표면에 대해 평행하게 놓인 절단면을 따라 절단 공정들이 2차원적으로 구현된다. 이와 같은 경우는 예를 들어 각막 굴절 교정 수술(라식 수술(Laser-in-situ-Keratomileusis, 축약어:LASIK)에서 일어난다.
실질적인 절단 경로를 위해, 포커싱 된 레이저 펄스들이 점 격자(dot grid) 내에 나란히 적용된다. 각각의 그리드 점(기능에 있어서 스팟(spot))에는 플라즈마가 생성되는데, 상기 플라즈마는 투과성 재료를 포커스 용적 내에서 분해하고 충분히 큰 에너지 밀도에서 공동부(혹은 액체 또는 생물학적 조직에서 일시적인 캐비테이션 기포(cavitation bubble))를 생성하는 미세 폭발(microexplosion)을 야기한다.
작용하는 각각의 절단 메커니즘은 그리드 점으로부터의 간격 및 플라즈마들의 에너지 밀도에 의존한다. 상기 에너지 밀도는 레이저 펄스 에너지 및 광학적 파괴를 위한 재료에 따른 한계값에 의해 결정되고, 상기 한계값의 경우 레이저 펄스 지속시간 및 레이저 파장, 그리고 레이저 빔의 품질 및 포커싱 된 레이저 빔의 수렴 각도(개구수)에 의존한다. 그 밖에, 동일한 방사 파라미터들에서 플라즈마 에너지 밀도는 레이저 펄스 에너지 변동에 의해 넓은 범위 안에서 조정 가능하다.
절단 매커니즘들은 2가지 종류로 구분되고, 일반적으로 분해 모드(disintegration mode) 및 분열 모드(splitting mode)로서 언급된다.
분해 모드: 더 적은 에너지 밀도 및 전자 밀도의 레이저 플라즈마들이 생성되면, 자유 전자들은 결합 파괴에 의해 레이저 포커스에서 재료의 분해를 야기한다. 이와 같은 상황은 재료 증발 또는 재료 부식과 결부되어 있다. 생물학적 조직 내의 재료 해체는, 예를 들어 밀리세컨드 내지 세컨드 범위 내의 수명을 갖는 기포의 생성을 야기하는데, 상기 기포는 절단 효과에 기여하지는 않지만, 상기 재료 해체에 대한 지표로서 이용될 수 있다. 포커스 용적과 충분히 큰 결합 파괴 밀도가 중첩되면서 연속적인 절단 공정이 발생할 수 있다. 단일 펄스 에너지가 작음에도 불구하고, 연속적인 재료 층의 분해는 다수의 레이저 펄스의 집적 효과 및 그에 따라 상대적으로 큰 전체 에너지를 요구한다.
분열 모드: 분열 모드의 경우 포커스 점들의 그리드 내에서 가로 방향 간격(D)이 포커스 직경(d)보다 크게 선택되고, 일반적으로 약 6 내지 10마이크로미터에 달한다. 이때 연속적인 절단 공정은, 단지 플라즈마들의 미세 폭발 작용 및 플라즈마들에 의해 생성된 일시적인 공동부(캐비테이션 기포)들의 유착에 의해서만 제공될 수 있다. 공동부들을 생성하기 위해서는 분해 모드의 경우에서보다 더 높은 에너지 밀도의 플라즈마들이 요구된다. 적층된 구조(layered structure)를 갖는 재료(예컨대 눈의 각막 기질)에서는 절단 공정을 위한 공동부의 유착이 수월해진다. 즉 절단 과정은, 레이저 생성된 캐비테이션 기포의 팽창에 의해 작동되고, 바람직하게 기계적으로 약한 위치를 따라 진행되는 분열 과정이다. 이와 유사한 과정으로, 국부적인 기계적 작용을 기초로 한 슬레이트 판의 분열 과정 및 손도끼에 의해 결방향(grain direction)을 따라 이루어지는 가지 없는 나무의 분열 과정이 있다. 미세 폭발을 발생시키기 위해 요구되는 단일 펄스 에너지가 분해 모드에서보다 분열 모드에서 더 큼에도 불구하고, 요구되는 전체 에너지는 일반적으로 더 작은데, 그 이유는 연속적인 재료 층의 응집 상태가 변경되어야 하는 것이 아니라, 오히려 재료의 약한 위치를 따라서 기계적인 분리가 이루어지고, 그리고 그에 따라 더 적은 수의 단일 펄스가 요구되기 때문이다. 그에 상응하게 재료 손실 또한 분해 모드에서보다 더 적다.
2개의 절단 메커니즘에서 절단 정확도는 주로 레이저 플라즈마의 길이에 의해 결정되며, 상기 레이저 플라즈마의 길이는 레이저 포커스의 길이에 의존한다. 포커스 직경(d) 및 포커스 길이(l)는 절단 대물 렌즈의 전체 구경을 사용할 경우 다음의 관계식에 의해 주어진다:
Figure pct00001
(1)
Figure pct00002
(2)
이 경우, λ는 사용된 레이저 광의 파장을 나타내고, NA는 절단 대물 렌즈의 개구수를 나타내며, 상기 개구수는 NA = n sinα의 관계식에 의해 절반의 개구각(aperture angle)(α)과 결부되어 있다(n은 광이 포커싱 되는 매질의 굴절률임). 플라즈마가 형성되어가는 과정에서 플라즈마 길이는 포커스 길이(l)와 유사하게 길고 레이저 펄스 에너지의 상승시 증가한다. 절단 정확도는 방사 방향으로의 절단 공정의 국부화 가능성 및 절단 폭에 의해 규정되며, 상기 2개의 조건은 플라즈마 길이와 결부되어 있다. 방정식(2)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 개구수가 증가하거나 파장(λ)이 감소하면 절단 정확도가 상승한다.
각막 굴절 교정 수술을 위해 현재 시장에서 살 수 있는 펨토 초-레이저 시스템(femtosecond laser system)은 1030㎚ 내지 1060㎚ 범위의 근적외선 파장을 이용하여 작동한다. 이와 같은 시스템의 경우 절단 정확도의 상승은 주로 NA의 증가에 의해 시도된다. 대안적으로는 자외선 레이저 빔의 사용이 고려된다. 이 경우, 적외선-펨토 초-펄스에 대해 약 1/3만큼 짧아진 파장은 방정식(2)에 따라 절단 정확도의 현저한 개선을 야기한다.
유럽 특허 출원서 EP 1 787 607 A1호는 LASIK-가공를 위해 약 190㎚ 내지 380㎚ 범위의 파장을 갖는 펄스 방식의 UV-광의 사용을 제안하며, 이때 UV-펄스는 적외선-펨토 초-펄스로부터 주파수 체배(frequency multiplication)에 의해 생성되고 최대 10ps까지의 펄스 지속시간을 갖는다. 유럽 특허 출원서 EP 1 787 607 A1호의 저자들은, 약 10nJ만큼의 펄스 에너지 및 100 내지 500kHz의 반복률(repetition rate)을 갖는 UV-펄스가 한편으로는 각막 조직 내에서 정확한 절단 공정을 야기하고, 다른 한편으로 각막 또는 렌즈 내에서 거의 완전히 흡수된다는 사실에서 출발한다. 망막 내로의 잔여 투과(residual transmission)에 의한 에너지 유입은 실질적으로 불가능한 것으로 간주된다. 그러나 UV-방사 범위에서 조직의 광화학적 변경이 바람직하지 않은 부작용이라고 언급되지 않는다는 사실을 주목할 만하다.
독일 특허 출원서 DE 10 2007 028 042 B3호에서는 시간적으로 평탄해지는 자외선-나노 초-펄스를 이용하여 투과성 재료들의 매우 미세한 레이저 가공이 가능하다는 사실이 기술된다. 특히 355㎚의 파장 및 0.7ns의 펄스 지속시간을 갖는 레이저 펄스는 각막 내 LASIK 플랩을 생성하기 위해 이용될 수 있으며, 이때 분열 모드에서 절단 공정이 이루어진다(UV 서브나노 초 펄스를 이용한 LASIK 플랩 생성. 검안경 12, 2011: 32-35, Vogel A, Linz N, Freidank S, Faust S, Schwed S저 (2011b)). 이와 같은 처리 방법의 장점은, 섬유 강화된 마이크로 칩 레이저에 의해 UV-레이저 광이 직접적으로 생성될 수 있다는 가능성에 있으며, 이때 비용 감소의 현저한 가능성을 기대할 수 있다. 또한, 나노 초 펄스의 사용시 더 작은 첨두 출력(peak power)으로 인해 펨토 초 펄스를 사용하는 경우보다 비선형적 확산 효과 및 필라멘트의 발생을 더 우수하게 방지할 수 있다.
미국 특허 출원서 US 2005/245915 A1호에서는 적외선-펨토 초-펄스 레이저를 이용하여 생체 눈의 각막 기질 조직 내에서 돔 형태의 절단면을 따라 절단 공정을 수행하기 위한 방법이 제시되어 있다. 상기 절단면은 대체로 각막 표면에 대해 평행하게, 그리고 동시에 대체로 레이저 빔의 방사 방향에 대해 수직으로 놓여 있다. 상기 절단면 상에는 포커스 위치들의 그리드가 사전 설정되고, 이때 각각의 스팟에는 사전 설정된 직경을 갖는 기포가 생성된다. 따라서 레이저 포커스 직경은 기포 직경보다 작거나 같다. 상기 스팟들은 ―방사 방향에 대해 수직으로―서로 이웃하는 간격들을 갖고, 상기 간격들은 대략 기포 직경 값에 상응한다. 상기 사실로부터 알 수 있는 바와 같이, 레이저 절단 공정은 도입부에 기술된 분열 모드에서 이루어지고 분해 모드에서는 이루어지지 않는다.
예를 들어 미국 특허 출원서 US 2005/245915 A1호에 따른 스팟 그리드와, 독일 특허 출원서 DE 10 2007 028 042 B3호에 따른 정확한, 특히 방사 방향을 따라 더 예리하게 국부화 된 표면 섹션을 얻기 위한 자외선 가공 레이저의 조합은 말하자면 생물학적 조직의 가공에 대해서도 동일하게 성공적인 것으로 입증된다. 그러나 현저히 감소된 UV-레이저의 포커스 직경은 단일 펄스 에너지가 일정할 경우 더 높은 그리드 점 밀도를 요구하고, 그에 따라 표면 섹션에 놓일 전체 에너지는 적외선-펨토 초-펄스 레이저를 사용하는 경우에서보다 현저하게 더 높다. 그럼으로써 생체 조직에 대해 특수하게 선량 문제가 야기되는데, 그 이유는 UV-유도된 발생 가능한 광화학적 부작용의 정도가 분젠로스코의 상호 법칙(Bunsen-Roscoe Reciprocity Law)에 따라 전체-방사량(J/㎠)에 의해 측정(scale)되기 때문이다.
최소한의 광화학적 부작용과 동시에 높은 절단 속도 및 절단 정확도를 달성하는 것은 일반적으로 경쟁하는 목표이며, 그 밖에 UV 레이저의 사용시 광화학적 부작용들의 감소가 나타난다. 높은 절단 속도는 높은 레이저 펄스 반복률 이외에 큰 그리드 점 간격 또한 요구한다. 후자(그리드 점 간격)가 확대되면, 상기 상태는 동시에 전체 절단 에너지의 감소를 조장하고, 그에 따라 광화학적 효과들을 방지한다. 그러나 상기 그리드 점 간격이 너무 크게 선택되면, 절단 정확도가 악화되고 발생 가능한 부작용들의 정도가 레이저에 의해 생성된 충격파 및 캐비테이션 기포의 기계적인 작용에 의해 현저하게 증가할 만큼 단일 펄스 에너지가 급격하게 상승하게 된다. 그리드 점 간격이 일정할 경우 포커스 직경이 급격하게 감소하면 동일한 단점적인 효과가 발생한다: 이때에는 분열 거리를 요구되는 정도로 확대하기 위해서 단일 펄스 에너지가 상승하게 된다.
이러한 배경에서 레이저 포커스의 형성 또는 생성된 플라즈마의 형성을 목적으로 하는 개선 가능성들을 찾을 수 있다.
선행 기술은 이미 투과성 매질에서 레이저 재료 가공을 위한 포커스 변형 방법을 공지한다. 상기 방법은 일반적으로 포커스 연장을 목표로 하며, 가능한 경우에는 심지어 가로 방향 직경의 감소를 이용한다: 예를 들어 가우스 빔(gauss beam)에 비해 급격하게 연장된 포커스 영역을 생성하기 위해, 이러한 가우스 빔 대신에 베셀 빔(bessel beam)이 사용된다(Bessel beams: Diffraction in a new light. Contemp. Phys. 46:15-28, McGloin D, Dholakia K저 (2005)). 이러한 점에서 베셀 빔은, 예컨대 LASIK-플랩 생성시 에지 절단 공정의 경우와 같이, 레이저의 방사 방향으로 절단 경로를 최적화하기에 적합하다.
플라즈마 길이의 증가를 위한 추가적인 가능성들은 비선형적 빔 확산(생성된 플라즈마에 의한 자체 포커싱) 및 투과성 매질 내 필라멘트 발생에 의해 얻어진다. 이와 같은 작용들은 연장된 레이저 효과를 얻기 위해, 큰 애스팩트 비(aspect ratio)를 갖는 보어 홀(bore hole) 및 채널을 생성하기 위해 이용된다(Application of self-focusing of ps laser pulses for three-dimensional microstructuring of transparent materials. Appl. Phys. Lett. 72:1442-1444, Ashkenasi D, Varel H, Rosenfeld A, Henz S, Herrmann J, Cambell EEB저 (1988)).
높은 출력의 레이저 펄스를 사용하고 절단 방향이 대체로 레이저 빔 방향에 대해 수직으로 진행하면, 포커스 연장은 종종 비선형적 빔 확산 및 필라멘트 발생에 의해 최대한 방지된다. 포커스 연장에 의한 절단 경로의 방해는 펨토 초 LASIK을 위해 기술되었다(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, Arnold CL, Heisterkamp A, Ertmer W, Lubatschowski H저 (2004)).
소위 포텍스 빔(vortex beam)은 동일한 포커싱 각도에서 가우스 빔보다 더 큰 포커스 횡단면을 갖는다. 그럼으로써 포텍스 빔은 가우스 빔보다 적어도 4배 더 높은 자체 포커싱 한계값을 갖는다(Collapse of optical vortices. Phys. Rev. Lett 96:133901(4pp), Vuong LT외 저 (2006)). 따라서, "포텍스 빔"이라는 이름은 강도 분포가 광학 축 상에서 영점(zero point)을 갖고, 이와 같은 특수성이 전자기장에서 와류로서 간주될 수 있다는 사실과 관계된다. 광의 라게르-가우스(LG) 확산 모드는 이와 같은 특성을 가지며, 이때 기본 모드는 LG(0, 1)로 표시된다("Orbital angular momentum: origins, behavior and applications", Advances in Optics and Photonics 3, 161-204(2011), Yao and Padgett 저).
LG-모드는 완전한 모드 세트를 형성하며, 상기 모드 세트에 따라 나선형 상면을 갖는 광("helically phased beam")이 발생할 수 있다. 이 경우, 개별 나선형 광자는 각운동량(angular momentum)을 갖는다. 비나선형 빔을 나선형 위상 판("spiral phase plate"), 컴퓨터에 의해 발생하고 특수하게 형성된 회절 그리드("diffractive optical element", 종종 "subwavelength structure"로도 언급됨), 전기적으로 제어 가능한 공간 광변조기("spatial light modulator") 또는 원기둥 렌즈 장치를 통해 투과시키면, 나선형 레이저 광이 상기 비나선형 레이저 광(통상적으로: 가우스 빔, 그러나 가우스 빔에 한정되지 않음)으로부터 생성될 수 있다("Orbital angular momentum: origins, behavior and applications", Advances in Optics and Photonics 3, 161-204(2011), Yao and Padgett 저). 그러나 비나선형 레이저 광을 나선형 레이저 광으로 모드 변환하기 위한 앞서 언급된 수단들은 제조하기가 어렵거나, 제한된 레이저 출력에만 적합하거나(예를 들어 플라스틱으로 이루어진 위상판 및 구조화된 금속화층으로서 또는 액정으로 이루어진 매트릭스로서 구현된 회절 그리드) 또는 비나선형 광에 대하여 종래의 재료 가공용 레이저 광원에 의해서 충족되지 않는 조건들을 요구한다(예를 들어 더 높은 특정한 가우스 모드의 발생).
그러나 고출력 레이저 적용을 위한 효율적인 모드 변환은 석영 유리 또는 다른 복굴절 내광 재료로 이루어진 나선형 위상판에 의해 달성될 수 있다(Efficient extracavity generation of radially and azimuthally polarized laser beams. Opt. Lett. 32: 1468-1470, Machavariani G, Lumer Y, Moshe I, Meir A, Jackel S 저 (2007)).
라게르-가우스 기본 모드(LG)(0, 1)에서의 이상적인 변환은 위상 편차(phase deviation)를 야기하는 광학적 구성 부재에 의해 달성되는데, 상기 위상 편차는 광학 축을 중심으로 360도만큼 회전하는 경우 연속적으로 영에서 2∏로 증가한다. 그러나 연속적인 위상 편차를 갖는 이러한 구성 부재들은 아직 매우 높은 레이저 출력을 견디는 재료로부터 제조되지 못한다.
따라서, 세그먼트화(segmentalize) 된 위상판을 사용함으로써 이상적인 경우에 접근할 수 있고, 이때 세그먼트의 수가 많을수록 상기 이상적인 경우에 대한 접근이 더 우수하게, 그리고 더 효율적으로 이루어진다. 후속하는 공간 주파수 필터링(space frequency filtering)에 의해서는 섹터 경계(sector boundary)에서 분산된 광이 제거되고, 이상적인 라게르-가우스(0,1) 모드에 매우 근접하게 포커싱 된 강도 분포가 나타난다(Machavariani외 저 2007).
추가적인 선행 기술로서 Junichi Hamazaki등이 저술한 "Opticalvortex laser ablation", OPTICS EXPRESS, Bd. 18, Nr. 3, S. 2144 ff. (2010)이 언급된다. Hamazaki 등은, 가공 평면 내에 링형("annular") 광 강도 분포를 갖는 단일 레이저 펄스를 이용한, 탄탈-판에 대한 레이저 절제(laser ablation)를 연구한다. 상기 목적을 위해 가우스 레이저 광은 나선형 위상판에 의해 포텍스 빔으로 변환되거나, 또는 공간 노치 필터(spatial notch filter, SNF)에 의해 편향되는데, 이는 비포텍스 환형 빔("nonvertex annular beam"(NVAB))을 야기한다. 2가지 방사 유형은 재료 제거에 사용되고, 이와 같은 경우들에서 가공된 표면의 달성된 품질이 비교된다. 포텍스 빔은 고체에 대한 레이저 절제에 바람직한 것으로 입증된다.
그러나 레이저 광에 의한 에너지 유입은 Hamazaki 등의 선행 기술에서, 명백히 가공 평면 후방에 놓인 레이저 포커스가 아니라 고체 표면에서의 선형 흡수에 의해 이루어진다. 왜냐하면, NVAB의 링형 강도 분포가 프레넬 회절상(fresnel diffraction image)에서 포커스 평면 전방에만 나타나고, 원시야 회절상(far field diffraction image)에서는 나타나지 않기 때문이다. 상기 프레넬 회절상에서 광점(light spot)의 중심에는 강도 최댓값이 나타나고, 광 강도는 더 작은 스팟 직경으로 인해 전체적으로 훨씬 더 높다. 그 이유는 저자들에 의해 2146쪽, 3번째 단락에서 설명된다: "Since NVAB is not an eigen-solution of the paraxial equation, the dark spot in the center disappears in the focal plane".
이러한 점에서, 상기 선행 기술에 기술된 절제시 포텍스 빔의 장점들로부터는 레이저 포커스에서의 재료 가공에 대해서, 특히 투과성 재료의 내부에서의 절단 경로에 대해서 아직 어떠한 결론을 내리지 못한다.
미국 특허 출원서 US 2008/243108 A1호에서는 광응고술(photocagulation) 또는 홍채 절개술(iridotomy)을 위한 테라피 레이저 시스템(therapy laser system)이 제시되는데, 상기 테라피 레이저 시스템은 균일한("top-hat") 또는 링형에 가까운 강도 분포를 갖는 동시에 처리될 조직상에 선택 가능한 스팟 직경을 갖는 빔 프로파일을 제공할 목적으로, 다수의 회절 광학 소자("diffraction optical elements", DOE)를 갖는 추가적인 장치를 공지한다. 이 경우, 상기 DOE는 사전에 확대되고 조준된 레이저 빔을 간섭(interference)에 의해 변형시키는 회절 구조로 이해된다. 이용자의 선택에 따라 상기 DOE는, 예컨대 모든 DOE가 회전 가능한 플레이트의 가장자리 영역에 배치된 경우, 예를 들어 스테핑 모터(stepping motor)의 전기적 제어에 의해 가우스 레이저 빔의 빔 경로 안으로 또는 밖으로 선회할 수 있다. 본 간행물에서도 에너지 유입은 선형 흡수에 의해 이루어지고, 가공 평면은 포커스 평면과 일치하지 않는다.
미국 특허 출원서 US 2008/243108 A1호의 장치는 투과성 재료 내부에서의 레이저 절단 공정에 거의 적합하지 않은데, 그 이유는 DOE에 의한 빔 형성이(Hamazaki 등의 간행물에서 NVAB의 경우에서와 같이) 빔 방향을 따라 변경 가능한 빔 프로파일을 야기하기 때문이다. 최대 강도 지점이 포커스 평면 내에 놓여 있는지 확신할 수 없으며, 오히려 상기 포커스 평면의 전방 및/또는 후방의 비교 가능한 높은 강도의 영역들("hot spots")을 고려해야하는데, 이는 사전 설정된 깊이로 정확한 절단 경로를 형성하려는 목적에 상반된다. 포커스 평면 외부에서 높은 강도의 영역들("hot spots")이 없는 광 분포는 광 확산 모드에 의해서만 달성되는데, 상기 광 확산 모드에서는 빔 프로파일이 확산 방향을 따라서 일정하게 유지된다. 상기 광 확산 모드에는 가우스 모드 또는 라게르-가우스 모드가 속하지만, DOE에 의해 발생한 광 분포는 속하지 않는다.
최신 선행 기술로는 미국 특허 출원서 US 2005/245915 A1호의 이론에 따른 투과성 재료에 대한 레이저 절단 장치가 고려되는데, 상기 장치는 특히, 레이저 광이 투과성 재료의 내부에 포커싱 되도록, 그리고 플라즈마들이 다광자 프로세스에 의해 재료 가공 공정이 이루어지는 레이저 포커스 내에 나타나도록 형성되었다.
본 발명의 과제는, 선행 기술에서 요구되는 것보다 더 적은 그리드 점 또는 더 적은 에너지 총량을 이용하여 대체로 레이저 광의 방사 방향에 대해 수직으로 진행하는 절단선 또는 절단면을 따라 레이저 절단 장치가 재료의 내부에서 레이저 절단 공정을 정확하게 수행하고, 그럼으로써 광화학적 및 광기계적 부작용들을 방지할 수 있도록, 투과성 재료에 대한 상기 레이저 절단 장치를 발전시키는 것이다.
상기 과제는, 레이저 광을 재료 내부의 사전 설정된 다수의 스팟에 포커싱 하도록 형성된 투과성 재료에 대한 레이저 절단 장치에 의해 해결되고, 이때 상기 스팟들은 대체로 상기 레이저 광의 방사 방향에 대해 수직으로 진행하는 사전 설정된 절단선 또는 절단면 상에 놓이며, 상기 장치는 상기 레이저 광의 빔 경로 내로 반입 및 반출 가능한, 나선형 상면을 갖는 레이저 광으로 모드 변환하기 위한 수단을 포함한다.
종속 청구항들은 바람직한 형성예들을 제시한다.
발명자가 아는 범위에서, 투과성 재료에 절단 공정을 수행하기 위해 나선형 상면을 갖는 레이저 광(기능에 있어서, 축약하여 나선형 레이저 광)을 사용하는 것이 아직까지 제안되지 않았다. 나선형 레이저 광을 의학적 테라피, 특히 눈의 레이저 가공에 사용하는 것은 발명자들에게 더욱더 공지되지 않았다.
나선형 레이저 광은 항상 광학적 와류를 포함하고, 따라서 전형적인 포텍스 빔이다. 본 발명에 대해 중요하게 인식되는 자체 특징들로, 나선형 레이저 빔의 포커싱이 토러스 형태(torus shaped)의 광 강도 분포 및 후속하여 가우스 빔의 포커스 횡단면보다 더 크고 마찬가지로 토러스 형태인 플라즈마 형성 영역을 야기한다는 사실이 포함된다.
선형으로 편광된 레이저 빔의 포커스 영역과 비교하여 방위각으로 편광된 레이저 빔의 포커스 영역에서의 강도 분포에 대한 일 예시(나선형 레이저 광에 대한 일 예시)는 (Effects of polarization on the de-excitation dark focal spot in STED microscopy. J. Opt. 12:115707 (8pp), Hao X, Kuang C, Wang T, LiuX 저 (2010)의) 도 1에 제시되어 있다. 선형으로 편광된 빔의 경우에 대하여 포커스 직경의 값이 약 2 내지 3배 만큼 확대된 사실을 알 수 있으며, 그에 반해 포커스 길이는 대체로 변경되지 않은 상태로 유지된다.
본 발명의 기본 사상은, 포텍스 빔이 예컨대 포커스 길이가 동일한 경우 선형으로 편광된 가우스 빔에 비해 적어도 2배 확대된 포커스 직경을 생성하기에 적합하고, 그에 따라 단일 펄스 에너지가 상승할 필요 없이 더 큰 스팟 간격을 허용한다는 것이다. 이와 같은 사실은 절단 속도를 높이고, 단점적인 기계적 부작용들 및 ―생체 조직을 가공하기 위한 UV-레이저 빔의 경우―허용 가능한 선량이 초과하는 것을 방지한다.
공지된 바로는, 선형으로 편광된 종래의 가우스 빔의 빔 경로 내로 반입되어 (예컨대 방위각 편광 특성을 갖는)포텍스 빔을 형성하는 광학 소자들을 제조할 수 있다. 아래에서 나선형 레이저 광으로 모드 변환하기 위한 수단으로서(또는 축약하여: 모드 변환 수단)으로서 언급되는 이러한 광학 소자들은 본 발명에 따라, 필요한 경우 레이저의 빔 경로 내로 반입 및 반출 가능하도록 장치 내에 배치되어 있다. 이와 같은 방식으로 이용자의 선택에 따라 다수의 포커스 형태를 갖는 레이저 절단 장치가 이용될 수 있다.
따라서, 종래의 가공 레이저 빔(예컨대 가우스 빔)은 사용 중에 ―바람직하게 세그먼트화 된 위상판이 안으로 선회함으로써―포텍스 빔으로 매우 쉽게 변경될 수 있으며, 이는 직접적으로 레이저 포커스 직경을 적어도 2배 확대한다. 이때 확장된 포커스를 이용하여 재료 분해는 대체로 방사 방향에 대해 수직으로, 즉 대체로 달성된 포커스 확장 방향을 따라서 놓인 절단선 또는 절단면의 사전 설정된 그리드 점들에서 이루어질 수 있다. 레이저 절단 공정을 수행한 후에 포텍스 빔은 ―이번에는 위상판이 밖으로 선회함으로써― 재차 정상 빔(normal beam)으로 변환될 수 있다.
대안적으로 가공 레이저 빔을 적어도 하나의 제어 가능한 편향 미러를 통해 편향시키는 것이 가능하며, 이때 상기 적어도 하나의 편향 미러는 자체 제어에 따라 레이저 광의 빔 경로가 모드 변환 수단을 통과하도록 하거나, 또는 상기 모드 변환 수단을 스쳐 지나가도록 한다.
본 발명에 따라 빔 경로 내로 반입 및 반출 가능한 모드 변환 수단은, 분해 모드뿐만 아니라 분열 모드에서도 포커스 직경을 확대하여 절단 공정을 수행하기 위해 더 적은 그리드 점이 필요하도록 함으로써, 그리고 궁극적으로 절단 속도를 상승시킴으로써, 이미 각각의 레이저 파장에 대하여 대체로 방사 방향에 대해 수직으로 절단 공정의 수행을 촉진한다.
특히 UV-레이저가 생체 조직에 대한 절단 공정에 사용되는 경우에 본 발명이 UV-레이저에 매우 바람직하다. 특히 바람직하게는 본 발명에 의해서 300㎚ 내지 400㎚ 범위의 파장을 이용하여 생체 눈에 대한 레이저 가공이 이루어질 수 있으며, 이때 동시에 선량은 최적화되거나 적어도 사전 설정된 한계값 아래로 유지될 수 있다.
본 발명의 추가의 바람직한 일 적용예는, LASIK 플랩 생성시 그리고 초단파 IR 레이저 펄스를 이용한 렌즈 분쇄(lens fragmentation)시 비선형적 빔 확산에 의해 발생 가능한 포커스 연장을 억제하는 데에 있다. 렌즈 파괴를 위해서는 비교적 약하게 포커싱 된 풍부한 에너지의 레이저 펄스가 사용됨으로써, 결과적으로 이 경우에 필라멘트가 발생하는 경향이 특히 높게 나타난다. 포텍스 빔의 사용시 자체 포커싱 한계값이 적어도 4배 증가함으로써, 축 방향으로 에너지가 국부적으로 놓일 가능성이 개선되고, 그에 따라 렌즈 캡이 보호되며, 망막 상에서 선량이 국부적으로 최댓값을 갖는 상황이 방지된다.
레이저 절단 장치는 단위 면적당 선량 검출을 위해 하나의 디바이스를 포함하고, 상기 디바이스는 레이저 광원의 방사 파라미터 및 사전 설정된 스팟 위치들을 검출하며, 상기 검출 결과로부터 선량값을 산출하고 이러한 선량값을 출력하는 본 발명에 따른 레이저 절단 장치의 추가의 바람직한 일 형성예가 제시되어 있다. 레이저 절단 장치의 추가의 바람직한 일 형성예에서 단위 면적당 선량 검출을 위한 디바이스는, 사전 설정된 한계값을 초과하는 선량값의 산출시 레이저 광원의 방사 파라미터를 자동으로 변경하도록 그리고/또는 스팟 위치들을 더 큰 스팟 간격으로 사전 설정하도록 형성되었다. 이와 같은 디바이스는 프로그래밍 가능한 마이크로프로세서일 수 있는데, 바람직하게는 스캐너의 제어 장치와의 데이터 교환을 위한, 그리고 경우에 따라서는 레이저 광원과의 데이터 교환을 위한 인터페이스를 갖도록 설계된 PC일 수 있다. 통상적으로 단일 컴퓨터 시스템이 레이저 절단 시스템의 모든 컴포넌트 기능을 모니터링 하고 제어한다. 이와 같은 컴퓨터 시스템에서 선량 검출 디바이스는 소프트웨어 실행부의 형태로 구현 가능하다.
이러한 점에서, 본 발명은 더 넓은 적용 스펙트럼을 갖지만, 라식 수술(LASIK), 각막 절편(lenticule)의 절단에 의한 플랩 없는 굴절 보정술(refraction correction), 층판각막이식술(lamellar keratoplasty) 및/또는 레이저 백내장 수술에서 사용되는 경우가 특히 바람직하다고 강조된다. 그 밖에 본 발명은 눈 굴절 교정 수술에서 UV-레이저 시스템을 도입하기 위한 핵심 개념으로서 간주될 수 있는데, 그 이유는 본 발명이 선량 문제에 대한 해결책을 제공하기 때문이다.
본 발명은 다음에서 첨부된 도면들을 참조하여 더 정확하게 설명된다.
도 1은 선형으로 편광된 레이저 빔(위)(a) 및 방위각으로 편광된 레이저 빔(아래)(b)의 포커스 형태를 비교한 도면이고;
도 2는 모드 변환을 위한 가능한 수단으로서 레이저 빔 경로 내로 반입될 수 있는 세그먼트화 된 위상판의 개략도이며;
도 3은 적출된 돼지의 눈에 대해 UV-레이저 시스템을 이용하여 성공적인 절단 경로가 형성된 경우에, 사용된 스팟 간격에 대하여 기록된 레이저 에너지의 측정값, 특히 단일 펄스 에너지(위)(a) 및 총 선량(아래)(b)에 대한 도면이고;
도 4는 a) 로드 형태의 레이저 포커스 및 b) 플레이트 형태의 레이저 포커스에 레이저가 놓임으로써 적층된 재료가 분열되는 상황에 대한 개략도이며;
도 5는 a) 안으로 선회 가능한 모드 변환 수단 및 b) 빔 경로를 선택하기 위해 제어 가능한 편향 미러를 갖는 본 발명에 따른 장치의 개략도이다.
이미 언급된 바와 같이, 예컨대 가우스 빔 프로파일을 갖는 선형으로 편광된 레이저 빔 내로 모드 변환 수단을 반입하는 것은, (본 출원서에서 방위각 편광 특성을 갖는) 포텍스 빔의 발생을 야기한다. 이와 같은 포텍스 빔이 투과성 재료 내에 포커싱 되면, 도 1 아래에 도시된 바와 같이 토로이드형(toroidal)의 포커스 용적이 형성된다. 이 경우, 방사 방향은 z축을 따라 놓인다. 비교를 위해, 빔 내에 반입된 광학 소자가 없는 레이저 포커스가 도 1 위에 도시되어 있다(모든 도면은 Hao 등의 간행물(2010)에서 제시됨). 오른편의 2개의 이미지는 xz평면 및 그에 따라 z방향을 따라 진행하는 포커스 길이를 보여주는데, 상기 포커스 길이는 가우스 빔 및 포텍스 빔에서 단지 조금만 구분된다. 그에 반해 왼편의 2개의 이미지로부터, 방사 방향에 대해 수직인 xy평면 내에서 포텍스 빔의 포커스 직경이 2배 이상 확대된다는 사실을 확실하게 알 수 있다. 포텍스 빔의 중심에서의 특수성은 일반적으로 절단 효과에 아무런 영향을 주지 않는다. 재료는 상기 포텍스 빔 중심에서도 분해되거나 적어도 분열됨으로써, 결과적으로 상기 재료는 원판 형태 또는 플레이트 형태의 용적에서 파괴된다. 그럼으로써, 플레이트 형태의 레이저 포커스를 언급할 수도 있다는 사실이 설명된다.
플레이트 형태의 포커스는 광학 소자의 반입에 의해 매우 간단하게 생성될 수 있다. 예를 들어, 바람직하게 개별 세그먼트 내에 결정 광학 축이 각각 상이하게 위치 설정된 복굴절 석영 유리로 이루어진 세그먼트화 된 위상판이 사용될 수 있다(도 2 참조). 결정 내에서 느리게 이루어지는 광 확산의 방향 설정은 각각 도 2에서 화살표 방향에 의해 지시되어 있다.
이 경우, 개별 세그먼트가 서로 접착되어 있고, 접착제는 UV-광의 작용하에 분해될 수 있다는 사실에 주목해야 한다. 따라서, 단펄스 방식의 매우 높은 출력의 UV 레이저 빔을 위한 세그먼트화 된 위상판들이 아직 개발 중에 있다. 그러나 발명자의 실험실에서 이루어진 내자외선성(ultraviolet resistance)에 대한 제 1 실험은 전도 유망하게 진행되었다:
UV 분해에 의한 접착층 내의 가시적인 손상에 대해서는 약 3×106(3백만)J/㎠의 손상 한계값이 검출되었다. 계획된 적용에서, 약 10μJ의 단일 펄스로 10㎜ 직경의 모드 변환기 표면이 균일하게 발광한다는 사실을 가정했을 때, 이와 같은 손상 한계값에 도달할 때까지 약 2.4×1011의 펄스가 적용될 수 있으며, 이는 150kHz의 반복률에서 440시간에 가까운 수명에 상응할 수 있다.
LASIK 플랩 생성을 위한 의학적 기계의 경우, 레이저 출구의 셔터(shutter)에 의해 위상판에 대한 작용 시간이 눈에 대한 방사 시간과 동일하도록 보증될 수 있다. 눈당 평균적인 절단 시간이 30초 미만에 놓이기 때문에, 위상판의 기대 수명 내에서 52800개의 눈이 가공될 수 있다. 처리 시간이 환자당 양쪽 눈에 대해 약 15분인 경우에, 위상판은 약 5년 후에 비로소 교체되어야 한다.
발명자가 알고 있는 바에 따르면 지금까지, 나선형 레이저 광에 의해 고의적으로 확대된 포커스를 갖는, 투과성 재료에 대한 레이저 절단 장치를 설계하도록 제안되지 않았다. 처음에는 상기 레이저 절단 장치가 당업자에게 암시되지도 않는데, 그 이유는 일반적으로 요구되는 가로 방향의 절단 정확도가 악화되기 때문이다. 그러나 대체로 방사 방향에 대해 수직으로 위치 설정된 선 또는 표면을 따르는 절단 경로의 경우 가로 방향보다, 오히려 주로 축 방향의 절단 정확도가 중요하다. 상기 축 방향의 절단 정확도는 본 발명에 의해 심지어 개선되는데, 그 이유는 극복되어야 할 분열 거리가 감소함으로써 절단 경로가 절단 평면 영역 내에 더 우수하게 국부화 되기 때문이다.
다음에서는 총 선량 및 절단 정확도와 관련하여, 나선형 레이저 광 및 그에 따라 생성 가능한 플레이트 형태의 레이저 포커스에 의해 달성되는 장점들이 명확하게 설명된다:
분해 모드에서의 절단 공정의 경우, 스팟 간격(D)은 포커스 직경(d)보다 더 작은 반면, 분열 모드에서는 상기 스팟 간격이 더 크다. 따라서, 분해 모드에서의 절단 공정에서 분열 모드에서의 절단 공정으로 전환될 때, 레이저 펄스의 적용시 생성된 절단면의 반경은 정확히 절반의 포커스 직경(d/2)에 상응한다. 포커스 간격(D＞d)을 위해서는 각각 거리(distance)((D/2-d/2)=(D-d)/2)가 분열 공정에 의해 극복되어야 한다. 상기 목적을 위해 요구되는 기계적인 작용은 레이저 유도된 충격파의 에너지 및 캐비테이션 기포에 의해 제공된다. 이 경우, 단위 면적의 절단 공정을 위해 요구되는 레이저 에너지(Eges)는 스팟 간격(D) 및 단일 펄스 에너지(EL)에 의존한다. 일정한 펄스 에너지(EL)에서 다음의 관계식이 적용되는데,
Figure pct00003
(3)
그 이유는 단위 면적당 레이저 펄스의 수가 D의 제곱으로 감소하기 때문이다. 그러나 실제로 펄스 에너지는 상수가 아니고, 오히려 기포를 생성하도록 선택되어야 하는데, 이때 상기 기포의 크기는 이웃한 그리드 점들 간의 간격을 분열 공정에 의해 신뢰할 만하게 극복하기에 충분하다. 분열 공정의 가능한 도달 범위는 기포의 최대 반경(Rmax)에 의해서 추정될 수 있고, 이때 기포의 상기 최대 반경은 신뢰할 만한 분열 공정을 위해 항상 절반의 그리드 점 간격보다 특정한 변수(k＞1)만큼 더 커야 한다:
Figure pct00004
(4)
선행 기술은 레이저 펄스 에너지(EL)와 물에서 생성된 캐비테이션 기포의 최대 반경 사이의 다음 관계식을 공지하고:
Figure pct00005
,(5a)
이때 EC는, 플라즈마 형성 한계값에 도달하기 전에 레이저 펄스 동안에 포커스를 통해 투과되는 에너지값이다. 한계값에 약간 못 미치는 값에서 관계식(5a)에 따라 Rmax는 우선 EL과 함께 신속히 증가하지만, 플라즈마 형성 한계값보다 현저히 위에 있는 펄스 에너지에 대해서는 증가 속도가 느려지는데, 그 이유는 EL＞＞EC이 적용되고, 그에 따라 대략 다음의 관계식이 적용되기 때문이다
Figure pct00006
.(5b)
각막 조직에서의 절단 역학 관계가 세부적으로 아직 덜 연구되긴 했지만, 방정식(5b)에서 Rmax와 EL 사이의 약한 관계성은 이미, 증가하는 거리((D-d)/2)를 분열 공정에 의해 극복하기 위해 큰 그리드 점 간격(D＞＞d)에서 단일 펄스 에너지가 현저하게 증가해야 한다는 사실을 암시한다. 극단적인 경우에, 포커스 직경(d)이 스팟 간격(D)에 대하여 무시할 수 있을 정도로 작아지면, 마침내 방정식(4) 및 방정식(5b)와 함께 다음의 관계식이 적용된다:
Figure pct00007
(6)
그리드 점 간격들의 값이 작은 경우, D의 증가는 단위 면적당 감소된 펄스 수 때문에 우선, 절단 공정을 위해 요구되는 전체 에너지의 현저한 감소를 야기하는데, 다시 말해 방정식(3)이 Eges(D) 관계식을 주도한다(dominate). 더 큰 그리드 점 간격들의 경우, 요구되는 단일 펄스 에너지의 증가는 전반적으로 감소된 펄스 수의 영향을 보상한다. 그보다 더 큰 그리드 점 간격들의 경우, 방정식(6)에 따른 요구되는 단일 펄스 에너지의 증가가 마침내 방정식(3)에 따른 감소된 펄스 수의 영향을 압도하게 되고, 요구되는 전체 절단 에너지는 오히려 D와 함께 증가하게 된다.
적출된 돼지 눈에 대한 실험들은 앞서 언급된 상황들을 명확하게 설명한다. 도 3은 상이한 개구수(NA)로 성공적으로 수행된 다수의 레이저 절개 공정에 대해 요구되는 단일 펄스 에너지(위) 및 총 선량(아래)를 각각 스팟 간격과 관련하여 보여준다. 스팟 간격이 3㎛에서 12㎛로 전환될 때, 필요한 펄스 에너지는 예컨대 3배가 되어야 하는 반면, 동시에 총 선량은 대략 1/6로 감소한다. 그러나 이미, 펄스 에너지가 상승하는 조건에서 동시에 스팟 간격이 추가적으로 증가함으로써, 총 선량이 더 이상 감소하지 않는다는 사실을 알 수 있다. 그러나 이 경우, 스팟 주변에서 더 큰 부작용들을 고려해야 한다.
이때 본 발명에 따른 장치에 의해 구현 가능한, 일정한 그리드 점 간격(D)에서의 포커스 직경(d)의 확대는 극복되어야 할 분열 거리((D-d)/2)를 감소시키고, 그에 따라 충격파 및 캐비테이션 기포에 의해 제공되어야 하는 요구되는 기계적 절단 작용을 줄여준다. 포커스 직경이 예를 들어 1㎛에서 3㎛으로 확대되면, 플라즈마 내 분해 공정에 의해 절단된 표면이 9배로 확대된다. 그리드 점 간격이 6㎛인 경우, 상기 포커스 직경의 확대는 분해 공정에 의해 절단된 표면 부분의 현저한 확대에 상응한다. 상기 절단 표면 부분은 단지 약 1/46에서 1/5에 약간 못 미치는 값으로 증가한다.
플레이트 형태의 포커스는 특히 각막과 같이 적층된 구조에서 층 방향을 따라 이루어지는 분열 공정을 지원하는데, 그 이유는 플라즈마 팽창 및 기포 팽창시 힘 분포에 의해 층들이 서로 밀려서 분리되고, 포커스 플레이트의 설계에 의해 상기 분열 공정에 대한 선호 방향 및 선호 평면이 사전 설정되기 때문이다. 도 4의 개략도는 각막 층의 분열 공정을 에너지가 놓이는 방식에 따라 a) 플레이트 형태의 레이저 포커스 및 b) 로드 형태의 포커스에서 나타낸다. 이 경우, 화살표들은 포커스에서 출발하는 힘의 작용 방향을 지시한다. 로드 형태의 포커스보다 플레이트 형태의 포커스가 층의 상호간 분리를 더 우수하게 지원한다는 사실을 알 수 있다. 따라서, 나선형 레이저 펄스의 적용에 의한 재료의 가로 방향 분열 공정은 각각의 개별 스팟에 대하여 더 큰 도달 범위를 갖고, 그에 따라 더 적은 그리드 점을 이용한 절단 공정을 허용한다. 또한, 축 방향 절단 정확도가 개선되는데, 그 이유는 극복되어야 할 분열 거리가 감소함으로써 절단 경로가 절단 평면 영역 내에 더 우수하게 국부화 되기 때문이다.
후속하여 본 발명에 따른 레이저 절단 장치의 2개의 실시예가 도 5에 개략적으로 도시된다.
도 5a 및 도 5b에는 각각 펄스 방식의 레이저 빔(2)을 방출하는 레이저(1)가 나타나 있다. 상기 레이저 빔(2)의 파장은 자외선 또는 적외선일 수 있거나, 혹은 VIS-스펙트럼으로부터 비롯될 수 있는데, 상기 파장은 바람직하게 약 300 내지 1100㎚의 범위에 놓인다. 본 발명의 특히 바람직한 일 형성예에서 레이저(1)는 300 내지 400㎚ 범위의 파장을 갖는 UV-레이저다.
선행 기술에서는 펄스 방식의 레이저 빔(2)이 편향 유닛(스캐너)(20)으로 가이드 되고, 상기 편향 유닛은 상기 레이저 빔(2)을 사전 설정된 방향으로 편향시킨다. 편향된 상기 레이저 빔은 빔 확산 망원경(beam widening telescope)(21)에 의해 확산되고 절단 대물 렌즈(22)에 의해 투과성 재료(23)로 이루어진 샘플로 포커싱 된다. 이 경우, 레이저 포커스는 사전 설정된 절단선 또는 절단면(24) 상의 사전 설정된 점 내에 놓인다. 방사 파라미터를 변경하기 위해 그리고/또는 특히 레이저 포커스(스팟)의 다른 지점을 절단선 또는 절단면(24) 상에 사전 설정하기 위해, 제어 유닛(30)이 레이저원(1) 및 편향 유닛(20)을 제어할 수 있다. 통상적으로 제어 유닛(30)은 프로그램 제어 방식으로 작동하는데, 다시 말해 상기 제어 유닛은 일반적으로 프로그래밍 가능한 연산 유닛, 예를 들어 PC를 포함한다.
선행 기술에 대해 새로운 사실은 펄스 방식의 레이저 빔(2)의 빔 경로 내로 반입 및 반출 가능한 모드 변환 수단(3)이 있다는 것으로, 상기 모드 변환 수단을 통과할 때 펄스 방식의 상기 레이저 빔(2)이 나선형 상면을 갖는 펄스 방식의 레이저 빔(5)으로 변환된다. 모드 변환 수단으로는 나선형 위상판이 적합하고, 이때 고출력 적용을 위해 최근에는 세그먼트화 된 나선형 위상판이 이용되며, 상기 세그먼트화 된 나선형 위상판은 상이하게 위치 설정된 광학 축을 갖는 복굴절 세그먼트들로 구성되어 있다(도 2 참조).
위상판 뒤에 공간 필터(또는: 공간 주파수 필터)(4)를 빔 경로 내에 배치하는 것이 본 발명을 위해 반드시 요구되지는 않지만, 세그먼트화 된 위상판의 이용시 매우 바람직하다. 다른 무엇보다, 세그먼트 경계에서 바람직하지 않게 분산된 레이저 광이 이와 같이 펄스 방식의 나선형 레이저 빔(5)으로부터 제거된다, "빔 정화"를 위한 공간 필터링은 레이저 기술 분야의 당업자에게 공지되어 있지 않다.
도 5a에 따르면, 푸싱 동작(pushing)에 의해 모드 변환 수단(3) 및 공간 필터(4)가 공동으로 빔 경로 안으로 또는 밖으로 선회하고, 이는 수직의 이중 화살표로 지시되어 있다. 이 경우, 선회 과정은 모드 변환 수단(3) 및 공간 필터(4)의 모든 유형의 기계적인 운동을 포함하고, 상기 기계적인 운동은 적어도 하나의 종료 위치에서 레이저 빔 방향과 동축인 배치 상태를 야기한다. 모드 변환 수단(3) 및 공간 필터(4)가 언급된 종료 위치로 제공되면(빔 경로 내로 안으로 선회하면), 펄스 방식의 레이저 빔(2)에서 나선형 상면을 갖는 펄스 방식의 레이저 빔(5)으로의 변환이 이루어진다. 컴포넌트들(3 및 4)의 반출 후에는 나선형 상면을 갖는 레이저 빔(5) 대신에 레이저 빔(2)이 다시 이용된다.
기계적으로 반입 및 반출 가능한 모드 변환 수단(3) 및 공간 필터(4)는 기술적으로 단순하며 경제적이지만, 짧은 시간 간격 안에 정상 레이저 빔(2)에서 나선형 레이저 빔(5)으로 또는 역으로 신속하게 변환하기 위해서 반드시 적합한 것은 아니다.
따라서, 대안적으로 도 5b에서 이번에는 고정된 모드 변환 수단(3) 및 마찬가지로 고정된 공간 필터(4) 대신에 레이저 빔(2)의 빔 경로가 미러(6, 7, 8, 9)를 통해 편향된다. 이 경우, 미러(7 및 8)는 고정되어 있고, 미러(6 및 9)는 선회 가능하거나 밖으로 접힐 수 있다. ―도시되어 있지 않은―제어 장치 덕분에, 이용자는 미러(6 및 9)의 미러 위치를 선택함으로써, 펄스 방식의 레이저 빔(2)이 모드 변환 수단(3) 및 공간 필터(4)를 통과하여 펄스 방식의 나선형 레이저 빔(5)으로 변환되어야 하는지, 혹은 상기 펄스 방식의 레이저 빔(2)이 모드 변환 수단(3) 및 공간 필터(4)를 스쳐 지나가야 하는지 결정할 수 있다.
마지막으로, 추가로 위에서 언급된 선량을 검출하기 위한 디바이스가 바람직하게 소프트웨어 모듈(예컨대 선택 가능한 서브루틴(subroutine))로서 제어 유닛(30)의 프로그래밍 내에 통합되어 있다는 사실이 참조된다. 이 경우, 상기 디바이스에는 방사 파라미터 및 선택 가능한 스팟 그리드가 이미 방사가 이루어지기 전에 제공된다. 상기 디바이스는 선량의 사전 산출 결과를 기초로 선량값을 출력할 수 있거나, 산출된 선량값이 사전 설정된 한계값을 초과하는 경우 경고 표시등을 활성화할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 형성예에서 소프트웨어 모듈은, 사전 설정된 한계값을 넘어서는 단위 면적당 선량을 야기할 수 있는 매우 조밀한 스팟 그리드를 사전 설정된 레이저 파라미터에서 전혀 선택할 수 없게 하거나, 이용자에 의한 특수한 해제 방법에 의해서만 활성화되도록 한다.
1 레이저
2 펄스 방식의 레이저 빔
3 모드 변환을 위한 수단
4 "빔 정화"를 위한 공간 필터
5 나선형 상면을 갖는 펄스 방식의 레이저 빔
6, 9 밖으로 접힐 수 있는 미러
7, 8 미러
20 편향 유닛
21 빔 확산 망원경
22 절단 대물 렌즈
23 투과성 재료, 예컨대 각막으로 이루어진 샘플
24 절단선 또는 절단면
30 제어 유닛

Claims (8)

  1. 투과성 재료(23)에 대한 레이저 절단 장치에 있어서,
    상기 레이저 절단 장치는 레이저 광(2)을 재료(23) 내부의 사전 설정된 다수의 스팟(spot)에 포커싱(focusing) 하도록 형성되었고, 이 경우 상기 스팟들은 대체로 상기 레이저 광(2)의 방사 방향에 대해 수직으로 진행하는 사전 설정된 절단선 또는 절단면(24) 상에 놓이며,
    상기 레이저 절단 장치는 상기 레이저 광(2)의 빔 경로 내로 반입 및 반출 가능한, 나선형 상면을 갖는 레이저 광(5)으로 모드 변환하기 위한 수단(3)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    레이저 절단 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 모드 변환 수단(3)은 나선형 위상판을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    레이저 절단 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 나선형 위상판은 각각 상이하게 위치 설정된 광학 축을 갖는 복굴절 세그먼트들로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는,
    레이저 절단 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모드 변환 수단(3)은 빔 경로 안으로 그리고 밖으로 선회 가능한 것을 특징으로 하는,
    레이저 절단 장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 제어 가능한 편향 미러(6, 9)가 제공되어 있고, 상기 편향 미러는 자체 제어에 따라 레이저 광(2)의 빔 경로가 상기 모드 변환 수단(3)을 통과하도록 하거나, 또는 상기 모드 변환 수단을 스쳐 지나가도록 하는 것을 특징으로 하는,
    레이저 절단 장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 광(2)의 빔 경로 내에서 모드 변환 수단(3) 뒤에는 공간 주파수 필터(4)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는,
    레이저 절단 장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 광원(1)은 300㎚ 내지 400㎚ 범위의 파장을 갖는 펄스 방식의 자외선 광(2)을 방출하는 것을 특징으로 하는,
    레이저 절단 장치.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    단위 면적당 선량을 검출하기 위한 디바이스가 제공되어 있고, 상기 디바이스는 상기 레이저 광원(1)의 방사 파라미터 및 편향 유닛(20)의 제어 유닛(30)에 의해 사전 설정된 스팟 위치들을 검출하며, 검출 결과로부터 선량값을 산출하고 상기 선량값을 출력하거나, 또는 산출된 선량값이 사전 설정된 한계값을 초과하는 경우 경고 표시등을 활성화하는 것을 특징으로 하는,
    레이저 절단 장치.
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