KR20170009951A - 에너지-관련 레이저 펄스 파라미터를 설정하기 위한 기술 - Google Patents
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Abstract
펄스형 집속 레이저 방사선의 에너지 설정을 위한 방법이 제공된다. 상기 방법에 있어서, 물질에 비가역적인 손상을 야기하는데 필요한 문턱 펄스 에너지와 펄스 지속시간 사이의 관계가 확립된다. 상기 관계는 200 fs와 그 미만 사이의 범위의 하나 이상의 펄스 지속시간을 포함하는 복수의 펄스 지속시간 각각에 대한 문턱 펄스 에너지를 얻는 것을 허용한다. 상기 관계는 200 fs와 그 미만 사이의 범위에서 감소하는 펄스 지속시간에 대해 감소하는 문턱 펄스 에너지를 규정한다. 200 fs와 그 미만 사이의 범위의 주어진 펄스 지속시간에 대해, 확립된 관계에 기초하여 연관된 문턱 펄스 에너지가 결정된다. 결정된 연관 문턱 펄스 에너지에 기초하여 레이저 방사선의 펄스 에너지가 설정된다. 특정 실시예에서, 상기 관계는 실질적으로 펄스 지속시간의 세제곱근의 함수로서 문턱 펄스 에너지의 감소를 나타낸다.
Description
본 개시는 레이저 펄스 파라미터의 설정에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 에너지-관련 레이저 펄스 파라미터를 설정하기 위한 기술에 관한 것이다.
특히, 산업 및 의료 환경에서, 펄스형 집속 레이저 방사선은 물질 처리에 중요한 수단이 되었다. 펄스형 레이저 방사선의 전형적인 응용에서, 흡수된 레이저 방사선의 전자기적 및/또는 열적 작용은, 타깃(target)에 절단부를 생성하거나 타깃으로부터 물질을 제거하기 위해, 타깃 물질의 조사된 영역에서 타깃 물질을 국소적으로 변화시키거나 파괴시키는데 사용된다. 입사 방사선을 집속시킴으로써, 방사선의 국소 강도를 증대시키고, 타깃 물질과의 상호작용 구역을 공간적으로 보다 근접하게 한정시킬 수 있다. 또한, 연속적인 방사선 대신에 펄스형 방사선의 사용은 처치된 물체 내의 열 축적의 영향을 감소시킨다.
의료용 레이저 응용에서, 예를 들어 라식(LASIK; Laser in-situ Keratomileusis), 각막 이식술(keratoplasty), 굴절 렌티큘 적출술(refractive lenticule extraction) 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 레이저-보조 안과 수술, 및 또한 레이저 방사선을 사용하는 다른 유형의 물질 처리에서, 선명하게 규정된 레이저 처치 범위, 및 처치된 물질 내로의 낮은 총 에너지 전달이 통상 요망된다. 이와 같은 목적을 위해, 1 피코초 미만의 범위의 펄스 폭을 갖는 초단파 레이저 펄스의 사용이 제안되었다. 종래에 사용된 펄스 지속시간(pulse duration)은 예를 들어 250 fs와 800 fs 사이의 어느 것일 수 있다. 동시에, 가능한 한 작게, 즉 타깃에 파괴 또는 임의의 다른 소망 효과를 달성하기 위한 문턱 에너지(threshold energy)에 근접하게, 각각의 단일 펄스의 에너지를 설정하는 것이 시도되고 있다.
원하는 효과에 도달하기 위한 상이한 펄스 지속시간에 필요한 펄스 에너지를 조정하는 경우, 보다 짧은 펄스가 보다 높은 문턱 파워(threshold power)를 가질 수 있지만, 문턱 파워 및 펄스 지속시간의 곱, 즉 문턱 펄스 에너지는 종종 보다 짧은 펄스 지속시간에서 감소하는 것이 관찰되었다. 그러나, 이와 관련하여, 다양한 응용에서, 문턱 펄스 에너지가 다시 증가하는 것으로 관찰될 수 있는 특정 펄스 폭이 존재하는 것으로 알려져 있다. 이와 같은 경우에, 에너지의 최소 전달이 요망된다면, 상이한 응용 및 상이한 빔 또는 타깃 파라미터에 대해서만 변할 수 있는 이상적인 펄스 길이가 결정될 수 있다.
이상적인 레이저 펄스 특성은 실질적으로 레이저 처치의 처치된 물질 및 의도된 효과에 따라 달라진다. 예를 들면, 많은 실제 응용에서, 펄스 길이의 변경은 프로세스의 변화와 관련하여 요망될 수 있다. 특정 펄스 길이에 맞도록 조정된 에너지-관련 펄스 파라미터의 설정이 펄스 길이가 변화될 때의 최소 에너지 전달의 면에서 차선인 경우에 문제가 발생할 수 있다. 동시에, 레이저 장치의 사용자는, 예를 들어 처리 동안에, 선택된 펄스 길이에 대한 이상적인 펄스 에너지를 용이하게 식별할 수 없을 수 있고, 그에 따라 요구된 에너지 레벨보다 높은 방사선에 타깃을 노출시킴으로써 타깃에 지나치게 응력(stress)을 가할 수 있다.
또한, 이것은 수술, 특히 레이저 안과 수술에서 눈의 표면 아래로의 절단이 수행되는 경우에 특정 단점을 갖는다. 왜냐하면, 이와 같은 경우에, 과잉의 펄스 에너지가 종종 증발된 눈 조직의 결과로 눈 조직 내에 바람직하지 않게 큰 증기 기포를 야기하고, 기포의 크기가 레이저 빔 자체의 초점 직경보다 실질적으로 클 수 있기 때문이다. 이와 같은 기포는 주변 눈 조직에 응력을 가하고, 수술 구역의 광학 특성을 변화시켜서 레이저 프로세스 자체 또는 관련 광학 기술이 악영향을 받는다. 또한, 설명된 시나리오에서 일련의 펄스가 서로 매우 근접하게 지향되면, 생성된 기포는 훨씬더 큰 셀(cell)로 연결되어 그것의 부정적인 영향을 증대시킬 수 있다. 이와 같은 가스 체적부를 제거하기 위한 몇몇 기술이 알려져 있지만, 다양한 상이한 응용에 대해서, 이와 같은 발생이 최소로 유지될 수 있다면 유리할 것이다. 그러나 이것은 응용의 변화에 대한 레이저 파라미터의 적합화(adaptation)를 필요로 한다.
그러므로, 레이저 펄스 파라미터의 용이한 설정을 위한 기술이 요망된다.
제1 양태에 따르면, 펄스형 집속 레이저 방사선의 에너지 설정을 위한 방법이 개시되어 있다. 상기 방법은, 물질에 비가역적인 손상을 야기하는데 필요한 문턱 펄스 에너지와 펄스 지속시간 사이의 관계를 확립하는 단계로서, 상기 관계는 복수의 펄스 지속시간 각각에 대한 문턱 펄스 에너지를 얻는 것을 허용하고, 복수의 펄스 지속시간은 200 fs와 그 미만 사이의 범위의 하나 이상의 펄스 지속시간을 포함하는, 단계; 200 fs와 그 미만 사이의 범위의 주어진 펄스 지속시간에 대해, 확립된 관계에 기초하여 연관된 문턱 펄스 에너지를 결정하는 단계; 및 결정된 연관 문턱 펄스 에너지에 기초하여 레이저 방사선의 펄스 에너지를 설정하는 단계를 포함하며, 상기 관계는 200 fs와 그 미만 사이의 범위에서 감소하는 펄스 지속시간에 대해 감소하는 문턱 펄스 에너지를 규정한다.
상기 관계는 실질적으로 펄스 지속시간의 세제곱근(cubic root)의 함수로서 문턱 펄스 에너지의 감소를 나타낼 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 함수는 펄스 지속시간의 세제곱근의 선형 함수이다. 추가적으로 또는 대안예로서, 상기 관계는 300 fs 이하의 펄스 지속시간에 대해, 많아도 0.35 μJ, 예를 들어 많아도 0.30 μJ, 또는 많아도 0.25 μJ, 또는 많아도 0.20 μJ, 또는 많아도 0.15 μJ의 값으로서 문턱 펄스 에너지를 규정할 수 있다. 추가적으로 또는 대안예로서, 상기 관계는 200 fs의 펄스 지속시간에 대해, 0.15 μJ 내지 0.30 μJ 범위, 예를 들어 0.15 μJ 내지 0.20 μJ, 또는 0.20 μJ 내지 0.25 μJ, 또는 0.25 μJ 내지 0.30 μJ, 또는 0.20 μJ 내지 0.30 μJ 범위의 값으로서 문턱 펄스 에너지를 규정할 수 있다. 추가적으로 또는 대안예로서, 상기 관계는 10 fs의 펄스 지속시간에 대해, 0.05 μJ 내지 0.10 μJ 범위, 예를 들어 0.05 μJ 내지 0.08 μJ, 또는 0.08 μJ 내지 0.10 μJ 범위의 값으로서 문턱 펄스 에너지를 규정할 수 있다.
상기 확립하는 단계는, 200 fs 초과의 복수의 기준 펄스 지속시간 각각에 대해, 레이저 방사선의 일련의 펄스로 물체를 조사하여 일련의 펄스 각각에 대한 손상 사이트(damage site)를 생성하는 단계로서, 펄스 에너지가 일련의 펄스 각각에 대해 상이하게 설정되는 단계, 각각의 손상 사이트의 크기를 결정하는 단계; 각각의 기준 펄스 지속시간에서 생성된 손상 사이트의 결정된 크기에 기초하여 복수의 기준 펄스 지속시간 각각에 대해 기준 문턱 펄스 에너지를 결정하는 단계, 및 결정된 기준 문턱 펄스 에너지에 기초하여 상기 관계를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 물체는 비생물학적 물질 또는 검시용(post mortem) 생물학적 물질일 수 있다.
각각의 기준 문턱 펄스 에너지는 각각의 기준 펄스 지속시간에서 생성된 손상 사이트의 결정된 크기의 제로 사이즈(zero size)에 대한 외삽(extrapolation)에 기초하여 결정될 수 있다. 크기는 예를 들어 각각의 손상 사이트의 직경, 면적 또는 체적에 기초하여 결정될 수 있다. 외삽은 예를 들어 결정된 크기에 적용되는 선형 피팅(linear fit), 지수 피팅(exponential fit) 또는 다항식 피팅(polynomial fit), 또는 이들의 임의의 조합에 기초할 수 있다.
추가적으로 또는 대안예로서, 상기 관계를 결정하는 단계는 펄스 지속시간에 의존하여 문턱 펄스 에너지의 선형 근사를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 관계는 10 ㎛ 또는 7 ㎛ 또는 5 ㎛ 이하의 레이저 방사선의 초점 직경에 대해 확립될 수 있고, 초점 직경은 방사선의 펄스 에너지의 86%를 포함하는 펄스 부분의 직경을 나타낸다.
손상은 물질의 레이저-유도식 광학적 파괴(laser-induced optical breakdown)에 의해 야기된 광파괴(photodisruption)를 포함할 수 있다.
상기 방법은 설정된 펄스 에너지를 갖는 레이저 방사선을 비생물학적 물질 또는 생물학적 물질에 지향시켜 물질에 절개부를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 물질은 인간 눈 조직일 수 있다.
상기 관계는 펄스 지속시간과, 문턱 펄스 에너지 대신에, 물질에 비가역적인 손상을 야기하는데 필요한 문턱 펄스 플루언스(threshold pulse fluence) 사이에 확립될 수 있고, 상기 관계는 200 fs와 그 미만 사이의 범위에서 감소하는 펄스 지속시간에 대해 감소하는 문턱 펄스 플루언스를 규정하고, 연관된 문턱 펄스 플루언스가 연관된 문턱 펄스 에너지 대신에 결정되고, 레이저 방사선의 펄스 플루언스는 결정된 연관 문턱 펄스 플루언스에 기초하여 설정된다.
상기 관계가 펄스 지속시간과 문턱 펄스 플루언스 사이에 확립되는 경우, 상기 관계는 300 fs 이하의 펄스 지속시간에 대해, 많아도 1.80 Jcm-2, 예를 들어 많아도 1.50 Jcm-2, 또는 많아도 1.30 Jcm-2, 또는 많아도 1.10 Jcm-2, 또는 많아도 0.90 Jcm-2, 또는 많아도 0.70 Jcm-2, 또는 많아도 0.50 Jcm-2의 값으로서 문턱 펄스 플루언스를 추가로 규정할 수 있다. 추가적으로 또는 대안예로서, 상기 관계는 200 fs의 펄스 지속시간에 대해, 0.80 Jcm-2 내지 1.50 Jcm-2 범위, 예를 들어 0.80 Jcm-2 내지 0.95 Jcm-2, 또는 0.95 Jcm-2 내지 1.05 Jcm-2, 또는 1.05 Jcm-2 내지 1.30 Jcm-2, 또는 1.30 Jcm-2 내지 1.50 Jcm-2 범위의 값으로서 문턱 펄스 플루언스를 규정할 수 있다. 추가적으로 또는 대안예로서, 상기 관계는 10 fs의 펄스 지속시간에 대해, 0.20 Jcm-2 내지 0.50 Jcm-2 범위, 예를 들어 0.20 Jcm-2 내지 0.35 Jcm-2, 또는 0.35 Jcm-2 내지 0.50 Jcm-2 범위의 값으로서 문턱 펄스 플루언스를 규정할 수 있다.
제2 양태에 따르면, 레이저 장치가 개시되어 있으며, 레이저 장치는, 초단파-펄스형 레이저 방사선의 빔의 소스, 시간 및 공간적으로 빔을 안내 및 쉐이핑하기 위한 구성요소 세트, 물질에 비가역적인 손상을 야기하는 데 필요한 문턱 펄스 에너지와 펄스 지속시간 사이의 관계를 나타내는 데이터를 저장하는 제어 유닛을 포함하며, 상기 관계는 복수의 펄스 지속시간 각각에 대한 문턱 펄스 에너지를 얻는 것을 허용하고, 복수의 펄스 지속시간은 200 fs와 그 미만 사이의 범위의 하나 이상의 펄스 지속시간을 포함하고, 상기 관계는 200 fs와 그 미만 사이의 범위에서 감소하는 펄스 지속시간에 대해 감소하는 문턱 펄스 에너지를 규정하고, 제어 유닛은 200 fs와 그 미만 사이의 범위의 주어진 펄스 지속시간에 대해, 저장된 데이터에 기초하여 연관된 문턱 펄스 에너지를 결정하고, 결정된 연관 문턱 펄스 에너지에 기초하여 빔에 대한 타깃 펄스 에너지를 결정하도록 구성된다.
제어 유닛은 결정된 타깃 펄스 에너지의 시각적 표현을 출력 디바이스에 출력하도록 구성될 수 있다. 출력 디바이스는 원격 디바이스일 수 있거나, 레이저 장치와 일체형일 수 있다. 추가적으로 또는 대안예로서, 제어 유닛은 빔에 대한 결정된 타깃 펄스 에너지를 자동적으로 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 관계는 실질적으로 펄스 지속시간의 세제곱근의 함수로서 문턱 펄스 에너지의 감소를 나타낼 수 있다. 추가적으로 또는 대안예로서, 상기 관계는 300 fs 이하의 펄스 지속시간에 대해, 많아도 0.35 μJ, 예를 들어 많아도 0.30 μJ, 또는 많아도 0.25 μJ, 또는 많아도 0.20 μJ, 또는 많아도 0.15 μJ의 값으로서 문턱 펄스 에너지를 규정할 수 있다. 추가적으로 또는 대안예로서, 상기 관계는 200 fs의 펄스 지속시간에 대해, 0.15 μJ 내지 0.25 μJ 범위, 예를 들어 0.18 μJ 내지 0.22 μJ 범위의 값으로서 문턱 펄스 에너지를 규정할 수 있다. 추가적으로 또는 대안예로서, 상기 관계는 10 fs의 펄스 지속시간에 대해, 0.05 μJ 내지 0.10 μJ 범위, 예를 들어 0.06 μJ 내지 0.08 μJ 범위의 값으로서 문턱 펄스 에너지를 규정할 수 있다.
빔은 1.15 또는 1.1 이하의 M2 파라미터를 갖는 가우스 빔(Gaussian beam)일 수 있다.
본 발명의 다른 상세, 목적 및 이점은 하기의 설명 및 도면으로부터 자명해진다.
본 발명은 하기의 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른, 개별 펄스 지속시간에 대한 문턱 펄스 에너지를 결정하기 위한 방법의 실시예의 개략도이고;
도 2는 본 발명에 따른, 다양한 펄스 지속시간에 대한 문턱 펄스 에너지를 결정하기 위한 방법의 실시예의 개략도이고;
도 3은 본 발명에 따른, 펄스형 집속 레이저 방사선의 에너지 설정을 위한 방법의 실시예의 흐름도이고;
도 4는 본 발명에 따른, 펄스형 집속 레이저 방사선의 에너지 설정을 위한 방법의 대안 실시예의 흐름도이고;
도 5는 본 발명에 따른 레이저 장치의 실시예의 개략도이다.
도 1은 본 발명에 따른, 개별 펄스 지속시간에 대한 문턱 펄스 에너지를 결정하기 위한 방법의 실시예의 개략도이고;
도 2는 본 발명에 따른, 다양한 펄스 지속시간에 대한 문턱 펄스 에너지를 결정하기 위한 방법의 실시예의 개략도이고;
도 3은 본 발명에 따른, 펄스형 집속 레이저 방사선의 에너지 설정을 위한 방법의 실시예의 흐름도이고;
도 4는 본 발명에 따른, 펄스형 집속 레이저 방사선의 에너지 설정을 위한 방법의 대안 실시예의 흐름도이고;
도 5는 본 발명에 따른 레이저 장치의 실시예의 개략도이다.
도 1은, 특정 펄스 지속시간 및 임의의 타깃 물질에 대해, 타깃 물질에 비가역적인 손상을 야기하는데 필요한 문턱 펄스 에너지를 결정하기 위한 방법의 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 1의 예에서, 펄스 지속시간(τL)은 300 fs, 400 fs 및 500 fs로 선택되지만, 개시된 방법은 또한 임의의 다른 세트의 펄스 길이에 적용될 수도 있다.
도 1의 다이어그램에 도시된 바와 같이, 임의의 선택된 펄스 길이에 대해서, 유한 크기(DDamage)의 손상은 펄스 길이-의존 문턱 에너지(Eth)가 도달되거나 초과되자마자 타깃 물질에 발생할 것이다. 다이어그램은 또한, 임의의 주어진 펄스 길이(τL)에 대해서, 타깃 물질에 야기된 손상 사이트(damage site)의 크기(DDamage)는 펄스 에너지와 함께 증가한다는 것을 나타내고 있다. 3개의 곡선의 비교로부터, 500 fs의 펄스 및 에너지(E2)에 의해 야기된 것과 유사한 크기의 손상이, 또한 낮은 에너지(E1)에 의해, 이와 같은 에너지가 300 fs의 보다 짧은 펄스에서 집중되면 달성될 수도 있다는 것을 알 수 있다. 이것은, 유사한 효과를 위해, 보다 짧은 펄스의 사용이 보다 적은 양의 에너지 전달을 허용한다는 일반적인 추정과 일치한다.
각각의 문턱 펄스 에너지(Eth,300, Eth,400, Eth,500)에서, 단일 펄스에 의해 야기되는 손상이 보이지 않게 작고, 즉 DDamage=0이고, 및/또는 물질 내의 열적 변화만 있을 것이기 때문에, 손상의 크기는 보다 높은 에너지(E1, E2)에 대해 결정되고, 여기서 다양한 펄스 지속시간에 대해 손상 사이트의 크기가 편리하게 측정될 수 있다. 도 1에서 파선으로 나타낸 바와 같이, 그 후에, 영(zero)의 손상 크기까지 각 펄스 지속시간에 대한 의존성을 외삽함으로써, 대응하는 문턱 에너지에 대한 값이 산출될 것이다.
도 1에서의 곡선은 펄스 에너지에 대한 손상 크기의 선형 의존성을 제시하고 있지만, 의존성은 종종 비선형 관계에 의해 보다 잘 기술될 수 있다. 정확한 관계는 예를 들어, 길이, 면적 또는 체적에 의해 손상 크기를 기술하도록 선택된 양에 따라 달라진다. 또한, 개시된 예에서, 단일-펄스 효과만이 고려되었지만, 본 방법은 동일한 위치에 가해진 다양한 수의 펄스(즉, 펄스 버스트(pulse burst))에 대한 손상 크기의 검출을 동등하게 포함할 수 있다.
문턱 에너지를 결정하기 위한 종래의 방법은 종종 레이저-유도식 광학적 파괴(laser-induced optical breakdown), 예를 들어 플라즈마 방출의 급격한 증대와 관련하여 발생하는 이차 효과에 의존하지만, 본 방법은 타깃 물질에의 비가역적 손상의 의도된 효과를 직접 측정한다. 이와 같은 방식으로, 문턱 에너지는 실험적으로, 그리고 다른 방법에 의해 얻어진 결과와 상이한 다른 타깃 물질에 대해 결정될 수 있다. 실험은 특히, 비가역적인 파괴가 일반적으로 추정된 것보다 낮은 문턱 에너지로 달성될 수 있다는 것을 제안한다. 그러나 이것은, 또한 본 방법에서 타깃 물질에의 손상이 레이저-유도식 광학적 파괴에 의해 적어도 부분적으로 야기될 가능성을 배제하지 않는다.
도 2는 200 fs 미만 및 초과의 범위에서 손상 문턱 펄스 에너지와 펄스 지속시간 사이의 관계를 결정하기 위한 방법을, 개략적으로 그리고 임의의 펄스 및 물질 특성에 대해, 도시하고 있다. 200 fs 초과의 범위에서, 도 1에 따른 상이한 문턱 에너지(Eth)가 대응하는 펄스 길이 τL=300 fs, 400 fs 및 500 fs에 대해 도시되었다. 도 2에서 연속적인 곡선으로 도시된 바와 같이, 내삽(interpolation)은 이와 같은 범위에서 원하는 관계를 확립할 수 있게 한다.
초단파 펄스에 대해, 파괴가 펄스 길이 및 그에 따른 문턱 에너지에 대한 하한 경계를 취하지 않는, 주로 강도-의존성 프로세스로서 이해될 수 있다는 추정에 기초하여, 도 2에서 곡선으로 표현된 관계가 원점으로부터 시작할 수 있는 것으로 또한 추정되었다. 이와 같은 경우에, 문턱 펄스 에너지가 실질적으로 펄스 지속시간의 세제곱근의 함수(Eth (damage)~τ1 / 3)인 것으로 추정된다. 측정된 데이터와 관련하여, 그리고 도 2에서 파선으로 도시된 바와 같이, 이것은 측정된 범위를 지나서, 또한 200 fs보다 상당히 짧은 펄스 지속시간에 대해 곡선의 외삽(extrapolation)을 허용한다.
결과적인 곡선은 심지어 가장 짧은 펄스 길이를 향해서 문턱 에너지의 연속적인 감소를 나타내고, 1보다 작은 지수(exponent)를 갖는 펄스 길이의 멱 함수(power function)에 의해 적절하게 기술된다. 따라서, 이 곡선은, 타깃 물질 내로의 낮은 에너지 전달이 의도되는 경우, 펄스 길이가 200 fs 미만 범위 내로, 통상 사용 미만으로 감소될 수 있는 한편, 문턱 펄스 에너지가 감소하는 펄스 지속시간에 대해 꾸준히 감소한다는 것을 시사한다. 기술된 관계가 확립되었다면, 이 관계는 200 fs와 그 미만 사이의 범위의 다양한 펄스 지속에 대한 펄스 에너지를 설정하는데 사용될 수 있다.
상기에 부가하여, 또는 곡선이 원점을 통과한다는 추정 없이도 충분한 간단한 실시예에서, 관계는 측정된 데이터에 기초한 선형 근사(linear approximation)에 근거하여 적어도 부분적으로 결정될 수 있다. 이와 같은 변형예가 도 2에서 점선에 의해 전형적으로 도시되어 있다. 또한, 기술된 관계가 우세한 강도-의존성의 추정에 의존하기 때문에, 개시된 방법의 대안 실시예에서는 펄스당 플루언스(fluence)와 같은 다른 에너지-관련 빔 파라미터를 위해 펄스 에너지를 무시하는 것이 유리할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른, 펄스형 집속 레이저 방사선의 에너지 설정을 위한 방법(300)의 예시적인 실시예의 흐름도이다. 상기 방법(300)은 전술한 절차 및 결과의 일부 또는 모두를 포함할 수 있다. 제1 단계(310)에서, 200 fs와 그 미만 사이의 범위의 펄스 지속시간과 손상 문턱 펄스 에너지 사이의 관계가 확립된다. 이것은 예를 들어 도 1 및 도 2와 관련하여 설명된 절차에 의해 수행될 수 있다. 이와 같은 관계에 기초하여, 그리고 200 fs와 그 미만 사이의 범위의 주어진 펄스 지속시간에 대해, 연관된 문턱 펄스 에너지가 결정된다(단계(320)). 계속해서, 단계(330)에서, 레이저 방사선의 펄스 에너지가 결정된 연관 문턱 펄스 에너지에 기초하여 설정된다.
따라서, 상기 방법(300)은 변화된 펄스 길이에 대해 레이저 방사선의 에너지를 용이하게 조정할 수 있게 한다. 이와 같은 방식으로, 예를 들어 최적의 펄스 에너지를 항상 유지하면서 특정 프로세스에 대해 레이저의 펄스 길이를 변경하는 것이 가능해진다. 펄스 에너지가 결정된 문턱 에너지보다 큰 값으로 설정되면, 설정된 값은 특정 실시예에서, 예를 들어 결정된 문턱 에너지의 1.5배 내지 5배, 또는 1.5배 내지 4배, 또는 1.8배 내지 3.5배, 또는 2배 내지 4배의 범위 안에 있을 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 물질을 처리하는 데 사용된 레이저 장치의 펄스 에너지는 결정된 문턱 에너지의 적어도 1.3배, 또는 적어도 1.5배, 또는 적어도 1.8배, 또는 적어도 2.0배로 설정될 수 있다. 상한에 대해서는, 설정된 펄스 에너지는 결정된 문턱 에너지의 5배 이하, 또는 4.5배 이하, 또는 4배 이하, 또는 3.5배 이하, 또는 3.0배 이하, 또는 2.5배 이하일 수 있다. 특정 실시예에서, 펄스 에너지는 결정된 문턱 에너지보다 사전결정된 절대량, 예를 들어 0.05 μJ 또는 0.10 μJ 또는 0.20 μJ 또는 0.30 μJ 또는 0.40 μJ만큼 크게 설정될 수 있다. 이와 같은 경우 중 어떤 경우에 있어서, 다양한 펄스 길이에 대한 문턱 에너지에 관한 정보는 그에 따라 펄스 에너지를 최적화하기 위한 관련 수단을 제공한다.
도 4는 본 발명에 따른, 펄스형 집속 레이저 방사선의 에너지 설정을 위한 방법(400)의 대안 실시예의 흐름도를 나타낸다. 도 4의 방법(400)에서, 손상 문턱 펄스 에너지와 펄스 지속시간 사이의 관계를 확립하기 위한 단계(410)는 복수의 서브단계(412, 414, 416, 418)를 포함한다. 도 3의 방법(300)과 유사하게, 이와 같은 관계가 확립되었다면, 이 관계는 200 fs와 그 미만 사이의 범위에서의 주어진 펄스 지속시간에 대해 연관된 문턱 펄스 에너지를 결정하고(단계(420)), 연관된 문턱 펄스 에너지에 기초하여 레이저 방사선의 펄스 에너지를 설정하는데(단계(430)) 사용될 수 있다. 펄스 에너지가 설정되었다면, 최종적으로 레이저 방사선이 타깃 물질에 지향되어 물질에 절개부를 생성할 수 있다(단계(440)).
제1 단계(412)에서, 기술된 관계가 확립되어야 하는 물질의 물체 또는 샘플은 상이한 펄스 에너지 및 200 fs 초과의 펄스 지속시간으로 조사되어 측정가능한 손상 사이트가 물체에 생성되도록 한다. 그 후에, 각 손상 사이트의 크기가 결정된다(단계(414)). 결정된 크기에 기초하여, 각각의 펄스 지속시간에 대해 문턱 펄스 에너지가 결정될 수 있다(단계(416)). 이것은 도 1과 관련하여 설명된 임의의 기술을 사용함으로써 수행될 수 있다. 최종적으로, 결정된 문턱 에너지에 기초하여, 손상 문턱 펄스 에너지와 펄스 지속시간 사이의 관계가 결정된다(단계(418)). 또한, 이것은 도 2와 관련하여 설명된 임의의 기술을 사용함으로써 실행될 수 있다.
손상 문턱 펄스 에너지와 펄스 지속시간 사이의 정확한 관계는 또한 많은 다른 조건에 따라 달라질 것이다. 이들 조건은, 가장 현저하게는, 조사된 물질의 특성 및 추가로 다른 빔 파라미터, 예를 들어 레이저 파장 및 레이저 펄스의 시간 및 공간적 프로파일을 포함한다. 그러나 실험 데이터에 기초하여, 적절한 응용에 대해, 도 2에 도시된 바와 같이 구해진 관계를 기술하는 멱 함수의 지수가 주로 0.3과 0.36 사이에서 변하는 것으로 드러났다. 그러므로, 이것은 사실상 펄스 지속시간의 세제곱근 함수로서 근사될 수 있다.
더욱이, 개시된 방법(300, 400)은, 상이한 투명한 비생물학적 및 검시용의 생물학적 시험 물질, 예를 들어 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate), PMMA 및 동물 눈 조직에 대해, 그리고 확립된 응용에 대한 가장 적절한 범위에서의, 예를 들어 레이저 초점의 직경, 즉 펄스 에너지의 약 86%를 투과시키는 빔 단면의 직경이 10 마이크로미터 미만, 예컨대 8 마이크로미터 미만 또는 6 마이크로미터 미만 또는 4 마이크로미터 미만으로 선택된 경우의, 빔 특성에 대해 신뢰성있는 결과를 산출한다. 예를 들면, 300 fs보다 짧은 펄스 지속시간에 대해서, 0.05 내지 0.35 마이크로줄(micro-joule)의 문턱 에너지가 결정되었다. 이와 같은 범위 내에서, 문턱 에너지는, 200 fs의 펄스 지속시간에 대해서는 0.15 내지 0.30 마이크로줄의 범위 안에 있도록 결정되고, 10 fs의 펄스 지속시간에 대해서는 0.05 내지 0.1 마이크로줄의 범위 안에 있도록 결정되었다. 그러므로, 펄스 지속시간에 대한 문턱 펄스 에너지의 동일한 특성의 세제곱근-의존성 및 아마도 또한 동일한 에너지 범위가 타깃 물질이 인간 눈 조직인 경우에 적용될 것으로 기대될 수 있다.
전술한 바와 같이, 펄스 에너지 대신에 다른 에너지-관련 파라미터, 예를 들어 펄스당 플루언스가 고려되는 방법(300, 400)의 대안 실시예가 실현될 수 있다. 이와 같은 경우에, 또한, 세제곱근 의존성이 그에 맞추어 적용된다. 예를 들면, 이전의 예와 동일한 초점 및 물질 특성의 경우, 그리고 문턱 펄스 플루언스에 적용되면, 개시된 방법(300, 400)은 300 fs 미만의 펄스 길이에 대해 0.2 내지 1.80 Jcm-2의 문턱 플루언스를 산출한다. 보다 특별하게는, 문턱 플루언스는, 200 fs의 펄스 지속시간에 대해서는 0.80 Jcm-2 내지 1.50 Jcm-2의 범위 안에 있도록 결정되고, 10 fs의 펄스 지속시간에 대해서는 0.20 Jcm-2 내지 0.50 Jcm-2의 범위 안에 있도록 결정되었다.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 장치(500)의 예시적인 실시예를 도시한다. 레이저 장치(500)는 빔 소스(510), 시간 및 공간적으로 빔을 안내 및 쉐이핑하기 위한 구성요소 세트(520), 및 제어 유닛(530)을 포함한다. 제어 유닛(530)은 데이터 베이스(535)를 포함하거나, 그에 연결될 수 있으며, 그에 따라 제어 유닛(530)은 데이터 베이스(535)에 의해 저장된 데이터에 접근하여 그것을 처리할 수 있다. 레이저 장치(500)는 시각적 출력 디바이스(540)를 추가로 포함하고, 및/또는 제어 유닛(530)에 의해, 그리고 시각적 표현을 위해, 외부 출력 디바이스(540)에 신호를 출력하도록 구성될 수 있다.
간략화를 위해, 빔 소스(510), 및 안내 및 쉐이핑 구성요소 세트(520)는 도 5에서 2개의 별개 독립체로서 도시되어 있다. 그러나, 대안 실시예에서, 빔 쉐이핑 및 안내를 위한 수단이 레이저 장치(500) 내에 복수의 분리된 구성요소를 포함할 수 있고; 반대로, 또한 빔 소스(510)가 발생된 레이저 빔을 안내 및 쉐이핑하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 그러므로, 안내 및 쉐이핑 수단(520)과 함께 빔 소스(510)는 초단파-펄스형 집속 레이저 방사선을 제공하기에 적합한, 본 기술분야에 알려진 임의의 기술 구성체를 규정하고, 여기서 적어도 펄스 길이, 및 펄스 에너지, 또는 펄스당 플루언스와 같은 다른 에너지-관련 파라미터가 제어될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 가장 적절한 응용의 관점에서, 제공된 레이저 빔이 1.15 이하의 M2 파라미터를 갖는 가우스 빔(Gaussian beam)인 것이 더욱 바람직하다.
제어 유닛(530)은 본 발명에 따른, 펄스 지속시간과, 손상 문턱 펄스 에너지, 또는 문턱 플루언스와 같은 다른 에너지-관련 펄스 파라미터에 대한 손상 문턱값 사이의 관계를 나타내는 데이터를 저장 및 처리할 수 있다. 이와 같은 데이터 저장의 목적을 위해, 도 5에 도시된 바와 같은 제어 유닛(530)은 데이터 베이스를 관리하는 역할을 하는 저장 디바이스(535)를 포함한다. 대안 실시예에서, 제어 유닛(530)과 데이터 베이스(535) 사이의 기능적 연결에 의해 제어 유닛(530)이 데이터 베이스(535)에 의해 저장된 데이터를 판독 및 처리할 수 있게 된다면, 데이터 베이스(535)는 제어 유닛(530) 외부에 배열될 수 있다. 이와 같은 저장된 데이터에 기초하여, 제어 유닛(530)은 200 fs보다 짧은 주어진 펄스 지속시간에 대해 연관된 문턱 펄스 에너지를 결정하고, 또한 결정된 문턱값에 기초하여 타깃 빔에서의 펄스 에너지를 결정하도록 구성된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제어 유닛(530)은 결정된 타깃 펄스 에너지를 나타내는 신호를 출력 디바이스(540)에 출력하도록 추가로 구성된다. 따라서, 결정된 타깃 펄스 에너지의 그래픽 디스플레이는 레이저 장치의 사용자가 선택된 펄스 길이에 의존하고 표시된 정보에 따른 펄스 에너지를 설정할 수 있게 한다. 대안적으로, 제어 유닛(530)은 결정된 펄스 에너지를 자동적으로 설정하도록 구성될 수 있다. 이것은 예를 들어 제어 유닛과 빔 소스(510) 및/또는 빔 안내 및 쉐이핑 수단 세트(520) 사이의 제어 연결에 의해 달성될 수 있다. 이것은 레이저 장치(500)의 사용자가 펄스 길이를 임의로 변경할 수 있게 하는 반면, 레이저 장치(500)는 자동적으로 대응하는 펄스 에너지를 제공할 것이다.
Claims (25)
- 펄스형 집속 레이저 방사선의 에너지 설정을 위한 방법(300, 400)에 있어서,
- 물질에 비가역적인 손상을 야기하는데 필요한 문턱 펄스 에너지와 펄스 지속시간 사이의 관계를 확립하는 단계(310; 410)로서, 상기 관계는 복수의 펄스 지속시간 각각에 대한 문턱 펄스 에너지를 얻는 것을 허용하고, 상기 복수의 펄스 지속시간은 200 fs와 그 미만 사이의 범위의 하나 이상의 펄스 지속시간을 포함하는, 단계;
- 200 fs와 그 미만 사이의 범위의 주어진 펄스 지속시간에 대해, 확립된 관계에 기초하여 연관된 문턱 펄스 에너지를 결정하는 단계(320; 420); 및
- 결정된 연관 문턱 펄스 에너지에 기초하여 상기 레이저 방사선의 펄스 에너지를 설정하는 단계(330; 430)를 포함하며,
상기 관계는 200 fs와 그 미만 사이의 범위에서 감소하는 펄스 지속시간에 대해 감소하는 문턱 펄스 에너지를 규정하는, 방법(300; 400). - 제1항에 있어서,
상기 관계는 실질적으로 펄스 지속시간의 세제곱근의 함수로서 문턱 펄스 에너지의 감소를 나타내는, 방법(300; 400). - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 관계는 300 fs 이하의 펄스 지속시간에 대해 많아도 0.35 μJ의 값으로서 문턱 펄스 에너지를 규정하는, 방법(300; 400). - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관계는 200 fs의 펄스 지속시간에 대해 0.15 μJ 내지 0.30 μJ 범위의 값으로서 문턱 펄스 에너지를 규정하는, 방법(300; 400). - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관계는 10 fs의 펄스 지속시간에 대해 0.05 μJ 내지 0.10 μJ 범위의 값으로서 문턱 펄스 에너지를 규정하는, 방법(300; 400). - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 확립하는 단계(410)는,
- 200 fs 초과의 복수의 기준 펄스 지속시간 각각에 대해, 레이저 방사선의 일련의 펄스로 물체를 조사하여 일련의 펄스 각각에 대한 손상 사이트를 생성하는 단계(412)로서, 상기 펄스 에너지가 일련의 펄스 각각에 대해 상이하게 설정되는, 단계(412);
- 각각의 손상 사이트의 크기를 결정하는 단계(414);
- 각각의 기준 펄스 지속시간에서 생성된 손상 사이트의 결정된 크기에 기초하여 복수의 기준 펄스 지속시간 각각에 대해 기준 문턱 펄스 에너지를 결정하는 단계(416); 및
- 결정된 기준 문턱 펄스 에너지에 기초하여 상기 관계를 결정하는 단계(418)를 포함하는, 방법(400). - 제6항에 있어서,
각각의 기준 문턱 펄스 에너지는 각각의 기준 펄스 지속시간에서 생성된 손상 사이트의 결정된 크기의 제로 사이즈에 대한 외삽에 기초하여 결정되는, 방법(400). - 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 관계를 결정하는 단계(418)는 펄스 지속시간에 의존하여 문턱 펄스 에너지의 선형 근사를 결정하는 단계를 포함하는, 방법(400). - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관계는 상기 펄스 지속시간과, 상기 문턱 펄스 에너지 대신에, 상기 물질에 비가역적인 손상을 야기하는데 필요한 문턱 펄스 플루언스 사이에 확립되고, 상기 관계는 200 fs와 그 미만 사이의 범위에서 감소하는 펄스 지속시간에 대해 감소하는 문턱 펄스 플루언스를 규정하고, 연관된 문턱 펄스 플루언스가 연관된 문턱 펄스 에너지 대신에 결정되고, 상기 레이저 방사선의 펄스 플루언스는 결정된 연관 문턱 펄스 플루언스에 기초하여 설정되는, 방법(300; 400). - 제9항에 있어서,
상기 관계는 300 fs 이하의 펄스 지속시간에 대해 많아도 1.80 Jcm-2의 값으로서 문턱 펄스 플루언스를 규정하는, 방법(300; 400). - 제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 관계는 200 fs의 펄스 지속시간에 대해 0.80 Jcm-2 내지 1.50 Jcm-2 범위의 값으로서 문턱 펄스 플루언스를 규정하는, 방법(300; 400). - 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관계는 10 fs의 펄스 지속시간에 대해 0.20 Jcm-2 내지 0.50 Jcm-2 범위의 값으로서 문턱 펄스 플루언스를 규정하는, 방법(300; 400). - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관계는 10 ㎛ 또는 7 ㎛ 또는 5 ㎛ 이하의 레이저 방사선의 초점 직경에 대해 확립되고, 상기 초점 직경은 상기 방사선의 펄스 에너지의 86%를 포함하는 펄스 부분의 직경을 나타내는, 방법(300; 400). - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 손상은 상기 물질의 레이저-유도식 광학적 파괴에 의해 야기된 광파괴(photodisruption)를 포함하는, 방법(300; 400). - 제6항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물체는 비생물학적 물질 또는 검시용 생물학적 물질인, 방법(400). - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
설정된 펄스 에너지를 갖는 레이저 방사선을 비생물학적 물질 또는 생물학적 물질에 지향시켜 상기 물질에 절개부를 생성하는 단계(440)를 포함하는, 방법(300; 400). - 제16항에 있어서,
상기 물질은 인간 눈 조직인, 방법(300; 400). - 레이저 장치(500)에 있어서,
- 초단파-펄스형 레이저 방사선의 빔의 소스(510);
- 시간 및 공간적으로 상기 빔을 안내 및 쉐이핑하기 위한 구성요소 세트(520);
- 물질에 비가역적인 손상을 야기하는데 필요한 문턱 펄스 에너지와 펄스 지속시간 사이의 관계를 나타내는 데이터를 저장하는 제어 유닛(530, 535)으로서, 상기 관계는 복수의 펄스 지속시간 각각에 대한 문턱 펄스 에너지를 얻는 것을 허용하고, 상기 복수의 펄스 지속시간은 200 fs와 그 미만 사이의 범위의 하나 이상의 펄스 지속시간을 포함하고, 상기 관계는 200 fs와 그 미만 사이의 범위에서 감소하는 펄스 지속시간에 대해 감소하는 문턱 펄스 에너지를 규정하고, 상기 제어 유닛은 200 fs와 그 미만 사이의 범위의 주어진 펄스 지속시간에 대해, 저장된 데이터에 기초하여 연관된 문턱 펄스 에너지를 결정하고, 결정된 연관 문턱 펄스 에너지에 기초하여 상기 빔에 대한 타깃 펄스 에너지를 결정하도록 구성되는, 제어 유닛(530, 535)을 포함하는, 레이저 장치(500). - 제18항에 있어서,
상기 제어 유닛(530)은 결정된 타깃 펄스 에너지의 시각적 표현을 출력 디바이스(540)에 출력하도록 구성되는, 레이저 장치(500). - 제18항 또는 제19항에 있어서,
상기 제어 유닛(530)은 상기 빔에 대한 결정된 타깃 펄스 에너지를 자동적으로 설정하도록 구성되는, 레이저 장치(500). - 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관계는 실질적으로 펄스 지속시간의 세제곱근의 함수로서 문턱 펄스 에너지의 감소를 나타내는, 레이저 장치(500). - 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관계는 300 fs 이하의 펄스 지속시간에 대해 많아도 0.35 μJ의 값으로서 문턱 펄스 에너지를 규정하는, 레이저 장치(500). - 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관계는 200 fs의 펄스 지속시간에 대해 0.15 μJ 내지 0.30 μJ 범위의 값으로서 문턱 펄스 에너지를 규정하는, 레이저 장치(500). - 제18항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관계는 10 fs의 펄스 지속시간에 대해 0.05 μJ 내지 0.10 μJ 범위의 값으로서 문턱 펄스 에너지를 규정하는, 레이저 장치(500). - 제18항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 빔은 1.15 또는 1.1 이하의 M2 파라미터를 갖는 가우스 빔인, 레이저 장치(500).
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