KR20190137110A - 광학 재료에 굴절률 변화를 기입하기 위한 빔 멀티플렉서 - Google Patents

광학 재료에 굴절률 변화를 기입하기 위한 빔 멀티플렉서 Download PDF

Info

Publication number
KR20190137110A
KR20190137110A KR1020197031590A KR20197031590A KR20190137110A KR 20190137110 A KR20190137110 A KR 20190137110A KR 1020197031590 A KR1020197031590 A KR 1020197031590A KR 20197031590 A KR20197031590 A KR 20197031590A KR 20190137110 A KR20190137110 A KR 20190137110A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optical material
beams
refractive index
objective lens
optical
Prior art date
Application number
KR1020197031590A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102499252B1 (ko
Inventor
웨인 에이치. 녹스
Original Assignee
유니버시티 오브 로체스터
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 유니버시티 오브 로체스터 filed Critical 유니버시티 오브 로체스터
Publication of KR20190137110A publication Critical patent/KR20190137110A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102499252B1 publication Critical patent/KR102499252B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F9/00—Methods or devices for treatment of the eyes; Devices for putting-in contact lenses; Devices to correct squinting; Apparatus to guide the blind; Protective devices for the eyes, carried on the body or in the hand
    • A61F9/007—Methods or devices for eye surgery
    • A61F9/008—Methods or devices for eye surgery using laser
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F9/00—Methods or devices for treatment of the eyes; Devices for putting-in contact lenses; Devices to correct squinting; Apparatus to guide the blind; Protective devices for the eyes, carried on the body or in the hand
    • A61F9/007—Methods or devices for eye surgery
    • A61F9/008—Methods or devices for eye surgery using laser
    • A61F9/00802—Methods or devices for eye surgery using laser for photoablation
    • A61F9/00804—Refractive treatments
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F9/00—Methods or devices for treatment of the eyes; Devices for putting-in contact lenses; Devices to correct squinting; Apparatus to guide the blind; Protective devices for the eyes, carried on the body or in the hand
    • A61F9/007—Methods or devices for eye surgery
    • A61F9/008—Methods or devices for eye surgery using laser
    • A61F9/00825—Methods or devices for eye surgery using laser for photodisruption
    • A61F9/00827—Refractive correction, e.g. lenticle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/067—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing
    • B23K26/0676—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing into dependently operating sub-beams, e.g. an array of spots with fixed spatial relationship or for performing simultaneously identical operations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/0869—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction
    • B23K26/0876—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
    • B23K26/53—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece for modifying or reforming the material inside the workpiece, e.g. for producing break initiation cracks
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00017—Electrical control of surgical instruments
    • A61B2017/00137—Details of operation mode
    • A61B2017/00154—Details of operation mode pulsed
    • A61B2017/00181—Means for setting or varying the pulse energy
    • A61B2017/0019—Means for setting or varying the pulse width
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00017—Electrical control of surgical instruments
    • A61B2017/00137—Details of operation mode
    • A61B2017/00154—Details of operation mode pulsed
    • A61B2017/00194—Means for setting or varying the repetition rate
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B2018/00636—Sensing and controlling the application of energy
    • A61B2018/00696—Controlled or regulated parameters
    • A61B2018/00702—Power or energy
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B18/18—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves
    • A61B18/20—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser
    • A61B2018/2035—Beam shaping or redirecting; Optical components therefor
    • A61B2018/205545—Arrangements for particular spot shape, e.g. square or annular
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B18/18—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves
    • A61B18/20—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser
    • A61B2018/208—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser with multiple treatment beams not sharing a common path, e.g. non-axial or parallel
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F9/00—Methods or devices for treatment of the eyes; Devices for putting-in contact lenses; Devices to correct squinting; Apparatus to guide the blind; Protective devices for the eyes, carried on the body or in the hand
    • A61F9/007—Methods or devices for eye surgery
    • A61F9/008—Methods or devices for eye surgery using laser
    • A61F2009/00842—Permanent Structural Change [PSC] in index of refraction; Limit between ablation and plasma ignition
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F9/00—Methods or devices for treatment of the eyes; Devices for putting-in contact lenses; Devices to correct squinting; Apparatus to guide the blind; Protective devices for the eyes, carried on the body or in the hand
    • A61F9/007—Methods or devices for eye surgery
    • A61F9/008—Methods or devices for eye surgery using laser
    • A61F2009/00861—Methods or devices for eye surgery using laser adapted for treatment at a particular location
    • A61F2009/00872—Cornea
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F9/00—Methods or devices for treatment of the eyes; Devices for putting-in contact lenses; Devices to correct squinting; Apparatus to guide the blind; Protective devices for the eyes, carried on the body or in the hand
    • A61F9/007—Methods or devices for eye surgery
    • A61F9/008—Methods or devices for eye surgery using laser
    • A61F2009/00897—Scanning mechanisms or algorithms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/30—Organic material
    • B23K2103/32—Material from living organisms, e.g. skins

Landscapes

  • Optics & Photonics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ophthalmology & Optometry (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Optical Recording Or Reproduction (AREA)

Abstract

굴절률 기입 시스템은, 펄스 레이저 소스, 펄스 레이저 소스의 출력을 광학 재료의 초점 스팟에 포커싱하기 위한 대물 렌즈, 및 주사 영역을 따라 초점 스팟을 광학 재료에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 스캐너를 포함한다. 빔 멀티플렉서는 레이저 소스의 출력을 광학 재료 내의 다양한 형상의 초점 스팟에 포커싱되는 적어도 2개의 작용 빔으로 분할한다. 제어기는 에너지 프로파일을 주사 영역을 따라 광학 재료 내에서 광학 재료의 비선형 흡수 임계값을 초과하여 그리고 광학 재료의 브레이크다운 임계값 미만으로 유지하기 위해 스캐너의 상대 속도 및 방향과 함께 작용 빔의 초점 스팟 사이의 시간 오프셋 및 공간 오프셋 중 적어도 하나를 제어한다.

Description

광학 재료에 굴절률 변화를 기입하기 위한 빔 멀티플렉서
본 출원은 광학 매체의 굴절률을 변경하기 위해 펄스 레이저를 사용하는 것에 관한 것이며, 보다 상세히는 환자의 시각 성능을 변경 또는 개선시키기 위해 굴절률 변화를 안구 조직 또는 대체 구조 또는 보완 구조에 기입하는 것에 관한 것이다.
광학 재료를 목표로 하도록 특별히 조정된 특정 체제 내에서 작동하는 펄스 레이저는 시력을 손상시키는 방식으로 재료를 달리 손상시키는 일 없이 광학 재료에서 국소화된 굴절률 변화를 생성하는 것으로 입증되었다. 에너지 체제는, 비선형 흡수 임계값을 초과하지만, 통상적으로는 상당한 광 산란 또는 흡수가 의도된 성능을 저하시키는 광학 재료의 브레이크다운 임계값(breakdown threshold) 바로 아래에 있다. 이러한 조정된 에너지 체제의 고려 사항은 펄스 파장, 펄스 에너지, 펄스 지속 시간, 펄스가 광학 재료에 포커싱되는 크기 및 형상, 및 펄스의 시간적 및 물리적 간격을 포함한다.
그 예는 발명의 명칭이 안구 조직의 굴절률을 변경하는 방법인 미국 특허 출원 공개 제2013/0226162호를 포함하는데, 이 출원은 브래그 격자(Bragg grating), 마이크로 렌즈 어레이, 존 플레이트(zone plate), 프레넬 렌즈, 및 이들의 조합을 포함하는 광학 요소를 형성 또는 변경하기 위해 생체 눈(living eye)에서 각막 조직의 굴절률을 변경하기 위한 레이저 시스템을 개시하고 있다. 여기서, 파장은 바람직하게는 400 nm 내지 900 nm이고, 펄스 에너지는 바람직하게는 0.01 nJ 내지 10 nJ이며, 펄스 지속 시간은 바람직하게는 10 fs 내지 100 fs이고, 반복률은 바람직하게는 10 MHz 내지 500 MHz이며, 조리개수(numerical aperture)는 바람직하게는 약 0.6 μm 내지 1.5 μm의 선 폭 및 0.4 μm 내지 8 μm의 선 깊이를 생성하는 약 0.70이고, 주사 속도는 약 0.1 μm/s 내지 10 mm/s이다. 발명의 명칭이 광감제를 갖는 광학 히드로겔 재료 및 굴절률을 변경하는 방법인 미국 특허 출원 공개 제2013/0268072호는, 특히 비선형 흡수의 효율을 개선하고 굴절 구조가 형성될 수 있는 주사 속도를 증가시키기 위해 감광제가 마련된 광학, 히드로겔 폴리머 재료의 굴절률을 변경시키는 방법을 개시한다. 파장은 바람직하게는 650 nm 내지 950 nm이고, 펄스 에너지는 바람직하게는 0.05 nJ 내지 10 nJ이며, 펄스 지속 시간은 바람직하게는 4 fs 내지 100 fs이고, 반복률은 예를 들어 80 MHz 및 93 MHz를 모두 포함하며, 조리개수는 바람직하게는 약 0.6 μm 내지 10.5 μm의 선 폭 및 1 μm 내지 4 μm의 선 깊이를 생성하는 약 0.70이고, 주사 속도는 약 0.1 μm/s 내지 4 mm/s이다. 발명의 명칭이 광학 재료의 굴절률을 변경하는 방법인 미국 특허 출원 공개 제2015/0126979호는 준비된 재료를 환자의 눈에 이식한 후에 친수성 모노머가 마련된 광학 히드로겔 재료의 선택된 영역을 기입하는 것을 개시하고 있다. 파장은 바람직하게는 600 nm 내지 900 nm이고, 펄스 에너지는 바람직하게는 0.01 nJ 내지 50 nJ이며, 펄스 지속 시간은 바람직하게는 4 fs 내지 100 fs이고, 반복률은 예를 들어 93 MHz를 포함하며, 조리개수는 바람직하게는 약 0.2 μm 내지 3 μm의 선 폭 및 0.4 μm 내지 8 μm의 선 깊이를 생성하는 약 0.70이고, 입증된 주사 속도는 약 0.4 μm/s이다. 발명의 명칭이 광학 재료의 굴절률을 변경하는 방법 및 결과적인 광학 시각 구성요소인 미국 특허 출원 공개 제2015/0378065호는, 광학 폴리머 재료에 GRIN 층을 기입하는 것을 개시하고 있다. 파장은 바람직하게는 750 nm 내지 1100 nm이고, 펄스 에너지는 바람직하게는 0.01 nJ 내지 20 nJ이며, 펄스 지속 시간은 바람직하게는 10 fs 내지 500 fs이고, 반복률은 바람직하게는 10 MHz 내지 300 MHz이며, 조리개수는 바람직하게는 약 0.6 μm 내지 3 μm의 선 폭 및 0.4 μm 내지 8 μm의 선 깊이를 생성하는 약 0.70이고, 주사 속도는 약 0.1 mm/s 내지 10 mm/s이다. 이들 참조 특허 출원은, 특히 광학 재료에 굴절 구조를 기입하기 위한 예로서, 본 명세서에 참고로 포함된다. 위에서 참조한 미국 특허 출원 공보는 본 명세서에 설명된 개선을 받는 대표적인 배경 기술로서 본 명세서에 참고로 포함된다.
조정된 에너지 체제와 인공 광학 재료 사이의 협력 작용에 대해 더 많은 기회가 존재하지만, 광학 재료가 생체 기원이든 인공이든, 그리고 광학 재료가 생체 내에 위치 설정되든 생체 외에 위치 설정되든, 굴절률 변화가 광학 재료에 기입될 수 있는 속도 및 효율은 여전히 중요하다. 원하는 광학 성능이 저하되는 손상 임계값을 초과하지 않고 광학 재료에서 원하는 굴절률 변화를 달성하는 형태로 레이저 빔의 포커싱된 펄스 에너지를 전달할 필요성에 관한 제약은 굴절률 구조가 광학 재료에 기입될 수 있는 속도 및 효율을 제한하였다.
본 발명자에 의해 구상된 실시예는 펄스 레이저 빔을 2개 이상의 레이저 빔으로 분할하기 위한 빔 멀티플렉서를 포함하며, 그 레이저 빔의 펄스는 굴절률 구조가 다양한 광학 재료에 기입될 수 있는 속도 및 효율을 개선하기 위한 기회를 확장하는 데에 시간적 및 공간적으로 관련될 수 있다. 그 기회는 광학 재료에서 영역이 주사되는 속도를 증가시키는 것, 주사된 영역을 따라 더 큰 굴절률 변화를 달성하는 것, 영역을 따라 또는 영역들 사이의 굴절률 변화에 대한 연속성 또는 제어를 개선하는 것, 주사된 영역을 따라 굴절률 변화가 이루어지는 폭 또는 두께를 확장시키는 것, 및 광학 재료의 지정된 층 내에서 또는 층들 사이에서 다수의 영역에 걸쳐 주사하는 것을 포함한다. 멀티플렉싱된 빔의 펄스는 광학 재료로 펄스가 전달되는 효과적인 반복률을 증가시키기 위해 시간적으로 오프셋될 수 있고, 동일한 주사된 영역을 따라 굴절률 변화를 받는 공통 체적의 크기를 증가시키기 위해 또는 다수의 주사된 영역을 따라 상이한 체적에 동일하거나 상이한 굴절률 변화를 받게 하기 위해 펄스를 더 큰 체적에 걸쳐 확산시키도록 공간적으로 오프셋될 수 있다. 광학 재료로 전달된 상이한 빔 펄스 사이의 시간적 및 공간적 관계는 또한, 재료가 광학적 성능을 저하시키는 원하지 않는 변화를 받는 손상 임계값을 피하면서, 더 큰 체적에 걸쳐 원하는 굴절률 변화를 달성하기 위해 동일하거나 인접한 주사 영역을 따라 생성된 온도 프로파일의 크기 및 형상에 영향을 미치도록 조정될 수 있다. 광학 재료에 기입된 굴절률 변화는, 전달된 펄스에 대한 광학 재료의 국소 반응에 따라 광학 재료의 주사된 영역의 굴절률을 상대적으로 증가 또는 감소시키는 것을 포함한다.
광학 재료에 전달된 상이한 빔의 펄스 사이의 시간적 및 공간적 관계를 제어하는 것에 추가하여, 상이한 빔 내의 펄스 또는 펄스가 전달되는 상이한 빔 자체의 특성이 변경되거나 달리 제어될 수 있다. 예를 들어, 상이한 빔이 포커싱되는 체적 뿐만 아니라 상이한 빔에서 펄스의 펄스 에너지 또는 펄스 폭이 상대적으로 변경될 수 있다. 실제로, 펄스 특성은 광학 재료에서 연장된 깊이에서 기입과 관련될 수 있는 상이한 크기 및 형상 체적을 수용하도록 비교적 변경될 수 있다. 예를 들어, 펄스는 전파 방향으로 연장될 수 있으며, 이는 광학적 손상 임계값 아래로 유지하면서 연장된 깊이에 걸쳐 굴절률 변화를 초래하기 위해 더 많은 출력이 전달되게 한다.
각막 조직 또는 히드로겔과 같은 광학 재료에서 화학 방사선의 임의의 1회 선량에 의해 초래될 수 있는 굴절률의 변화는 재료의 손상 임계값에 의해 제한된다. 이와 같이, 굴절률의 변화는 일반적으로 2π 위상 변화를 지원하기에는 너무 작은데, 2π 위상 변화는 흔히 프레넬 또는 광학 재료에 기입되는 다른 유형의 세그먼트화된 광학 구조에서 위상 불연속을 최소화하기 위해 요구된다. 그러나, 연장된 깊이에 걸쳐 기입함으로써, 2π 위상 변화를 초래하기 위해 단 하나의 층 또는 적어도 소수의 층만이 기입되면 된다. 연장된 깊이에 걸쳐 굴절률 변화를 기입하면, 그러한 광학 구조의 보다 빠르고 보다 정확한 기입 뿐만 아니라 보다 높고 보다 효율적인 광학 성능이 가능하게 된다.
도 1a는 펄스 레이저의 출력 빔을 초기에 2개의 직교 편광된 작용 빔(working beam)으로 분할한 다음 굴절률 변화를 광학 재료에 기입하기 위해 2개의 작용 빔을 재결합하는 2-빔 멀티플렉서의 다이어그램이다.
도 1b는 도 1a의 재결합된 직교 편광된 작용 빔의 다이어그램으로서, 2개의 빔 사이의 시간 오프셋을 도시한다.
도 2는 2개의 각도 오프셋된 작용 빔을 광학 재료에서 동일한 횡방향 평면 내에서 상이한 위치에 포커싱된 2개의 공간 오프셋된 작용 빔으로 변환하기 위한 대물 렌즈를 포함하는 포커싱 시스템의 도면이다.
도 3은 포커싱된 작용 빔을, 주사된 영역에 걸쳐 광학 재료의 굴절률을 변화시키기 위해 후속 주사를 X 좌표축을 따라 인덱싱하는 래스터 패턴(raster pattern)으로 작용 빔의 초점 스팟 사이의 간격에 수직인 Y 좌표축을 따라 주사함으로써 광학 재료에 기입된 평행 트레이스 세트의 다이어그램이다.
도 4는 포커싱된 작용 빔을, 주사된 영역에 걸쳐 광학 재료의 굴절률을 변화시키기 위해 후속 주사를 Y 좌표축을 따라 인덱싱하는 래스터 패턴으로 작용 빔의 초점 스팟 사이의 간격에 평행한 X 좌표축을 따라 주사함으로써 광학 재료에 기입된 평행 트레이스 세트의 유사한 다이어그램이다.
도 5는 일치하는 초점 스팟에 포커싱된 시간 오프셋된 작용 빔을, 주사된 영역에 걸쳐 광학 재료의 굴절률을 변화시키기 위해 후속 주사를 X 좌표축을 따라 인덱싱하는 래스터 패턴으로 Y 좌표축을 따라 주사함으로써 광학 재료에 기입된 평행 트레이스 세트의 다이어그램이다.
도 6은 좌표축 중 하나를 따른 초점 스팟의 주사와 관련된 광학 재료에서의 온도 구배를 도시하는 그래프이다.
도 7은 2개의 작용 빔을 광학 재료 내의 상이한 깊이에 포커싱하기 위한 대물 렌즈와 결합되는 2개의 직교 편광된 작용 빔 중 하나의 영역을 따라 빔 셰이퍼(beam shaper)를 갖는 대안적인 2-빔 멀티플렉서의 다이어그램이다.
도 8은 도 7의 초점 스팟을 크게 확대한 도면으로서, 광학 재료의 상이한 깊이에서 2개의 선형 트레이스를 주사한다.
도 9는 2개의 작용 빔을 광학 재료 내의 상이한 깊이에 포커싱하기 위한 대물 렌즈 이전에 비편광 빔스플리터 및 빔 셰이퍼를 갖는 대안적인 2-빔 멀티플렉서의 다이어그램으로서, 작용 빔을 재결합하기 위한 빔스플리터 중 하나는 작용 빔 중 하나가 포커싱되는 제한된 반사 영역을 갖는 실질적으로 투과성 플레이트를 포함한다.
도 10은 2개의 작용 빔을 광학 재료 내의 상이한 깊이에 포커싱하기 위한 대물 렌즈 이전에 비편광 빔스플리터 및 빔 셰이퍼를 갖는 대안적인 2-빔 멀티플렉서의 다이어그램으로서, 작용 빔을 재결합하기 위한 빔스플리터 중 하나는 작용 빔 중 하나가 포커싱되는 중앙 애퍼처를 갖는 실질적으로 반사성 플레이트를 포함한다.
도 11은 4개의 작용 빔을 2개의 수직 변위된 평면 각각에서 2개의 측방향 오프셋 위치로 포커싱하기 위해 도 10의 2-빔 멀티플렉서의 피쳐를 갖는 도 1의 2-빔 멀티플렉서의 4-빔 멀티플렉서 결합 피쳐의 다이어그램이다.
도 12는 도 11의 작용 빔에 의해 생성된 4개의 초점 스팟을 크게 확대한 도면이다.
도 13a 및 도 13b는 인가된 광 출력의 함수로서 광학 재료에서의 위상 변화를 플로팅한 그래프를 제시하는데, 광학 재료의 손상 임계값 미만으로 유지하면서 연장된 깊이 초점 스팟에 인가될 수 있는 추가 광 출력을 예시한다.
도 14는 2개의 작용 빔에 의해 생성된 초점 스팟을 연장시키기 위한 2개의 구면 수차 보정 플레이트를 추가한, 도 7의 멀티플렉서와 유사한 2-빔 멀티플렉서의 다이어그램이다.
도 15는 도 14의 작용 빔에 의해 생성된 2개의 연장된 깊이 초점 스팟을 크게 확대한 도면이다.
도 16은 제로 구면 수차, 제1 양의 포지티브 구면 수차, 및 보다 큰 제2 양의 포지티브 구면 수차로 생성된 초점 스팟에 대한 축방향 평면에서의 초점 스팟의 강도를 플로팅한 그래프이다.
도 17은 광학 재료에 굴절률 구조를 기입하기 위해 3개의 직교 축선을 따라 본 명세서에서 참조된 임의의 빔 멀티플렉서의 초점 스팟을 병진시키기 위한 광 기계식 스캐너의 다이어그램이다.
하나 이상의 실시예에 대해 구상된 바와 같은 빔 멀티플렉서(10)가 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있다. 레이저 소스(12)는 시준된 실질적으로 선형 편광된 빔(14)을 출력하는데, 빔의 편광축은 제1 편광 빔스플리터(18)의 직교 편광축에 대해 실질적으로 45도의 배향으로 반파장 플레이트(16)에 의해 회전된다. 레이저 소스(12)는 주파수-배가 Nd:YVO4 레이저에 의해 펌핑되는 모드-잠금 Ti:Sapphire 레이저(예를 들어, 캘리포니아주 산타 클라라에 소재하는 신항만 법인체인 Spectra-Physics로부터 입수 가능한 MaiTai-HP와 같은 Spectra-Physics Ti:Sapphire 발진기)로서 형성될 수 있다. 레이저는, 예를 들어 최대 3 W의 평균 출력, 110 fs의 펄스 폭, 및 80 MHz의 반복률(repetition rate) 또는 최대 1 W의 평균 출력, 160 fs의 펄스 폭, 및 80 MHz의 반복률의 일련의 펄스를 약 400 nm의 주파수-배가 파장으로 생성할 수 있다. 물론, 의도된 성능을 저하시키는 상당한 광 산란 또는 흡수와 같은 광학적으로 유도된 손상을 받는 일 없이 국소화된 굴절률 변화를 받기 위해 재료의 경계 임계값에 따라 굴절률 변화를 상이한 광학 재료에 기입하는 데에 사용하도록 다른 레이저가 사용되거나 최적화될 수 있다. 광학 재료는 안과 히드로겔 폴리머(콘택트 렌즈 및 안내 렌즈에 사용됨) 및 각막 조직(절제 및 생체 내 둘 모두) 뿐만 아니라 자연 발생하거나 합성적으로 생성되는 다른 안과용 재료를 포함한다.
일반적으로, 그러한 광학 재료에 굴절률 구조를 기입하기 위해, 펄스 레이저 소스의 경우, 일련의 펄스는 바람직하게는 8 fs 내지 500 fs의 펄스 폭, 0.01 nJ 내지 10 nJ의 펄스 에너지, 10 MHz 내지 500 MHz의 반복률, 및 400 nm 내지 1100 nm의 공칭 파장을 갖는다. 이들 파라미터는 또한 초점 스팟 크기 및 초점 스팟이 광학 재료에 대해 이동되는 주사 속도와 관련된다. 더 큰 체적에 걸쳐 굴절률 변화를 기입하기 위해, 초점 스팟 크기 및 주사 속도는 재료의 손상 임계값 바로 아래의 에너지 체제에서 작동하도록 설정된 다른 파라미터와 협동하여 실질적으로 가능한 많이 증가된다. 최대 10 m/s의 주사 속도가 고려된다.
제1 편광 빔스플리터(18)는 시준된 출력 빔(14)을 2개의 직교 편광된 작용 빔(20 및 22)으로 분할한다. 예를 들어, 제1 편광 빔스플리터를 통해 투과하는 작용 빔(20)은 도면 시트로부터 연장되는 수평 평면으로 배향된 편광축을 가지며, 제1 편광 빔스플리터에 의해 반사되는 작용 빔(22)은 도면 시트 내에서 수직 평면으로 배향된 편광축을 갖는다. 수평 편광된 작용 빔(20)은 제2 빔스플리터(28)로 직접 전파된다. 반사기(24, 26)는 수직 편광된 작용 빔(22)을 작용 빔(20)의 물리적 배향과 직교하게 유지되는 물리적 배향으로 제2 빔스플리터(28)로 지향시킨다. 제2 편광 빔스플리터(28)는 수평 편광된 작용 빔(20)을 투과시키고 수직 편광된 작용 빔(22)을 작용 빔(20)과 재배열하도록 반사시킨다.
제2 편광 빔스플리터(28)로부터의 출력으로서 물리적으로 정렬되는 동안, 작용 빔(20 및 22)은 도 1b에 도시된 바와 같이 상대적 직교 관련 편광에 의해 구별된 상태로 유지된다. 화살표는 바람직하게는 MHz 범위의 주어진 반복률에서 작용 빔(20)의 펨토초 펄스(30)의 동일 간격의 타이밍을 나타내고, 이는 작용 빔(20)의 수평 편광 배향의 추가 표시로서 수평 배향으로 도시되어 있다. 상보적인 방식으로, 화살표는 주어진 반복률에서 작용 빔(22)의 펨토초 펄스(32)의 동일 간격의 타이밍을 나타내고, 이는 작용 빔(22)의 수직 편광 배향의 추가 표시로서 수직 배향으로 도시되어 있다.
2개의 작용 빔(20 및 22)이 제2 편광 빔스플리터(28)의 출력에서 재정렬되지만, 각각의 작용 빔(20 및 22)의 펄스(30 및 32)는 광 경로 길이 차이의 결과로서 △t만큼 시간적으로 오프셋되며, 이는 제1 및 제2 편광 빔스플리터(18 및 28) 사이에서 작용 빔(20 및 22)에 의해 취해진 개별 경로 중 하나를 따라 지연 요소(34)를 포함한다. 대안적으로, 반사기(24 및 26)는 작용 빔(20)의 광 경로 길이에 대해 작용 빔(22)의 광 경로 길이를 변경하도록 정렬되게 하는 제1 및 제2 빔스플리터(18 및 28)를 향해 또는 그로부터 집합적으로 변위될 수 있다. 시간 오프셋(△t)은 반복률의 역수로서 펄스 사이의 시간 간격보다 작은 양만큼 변하도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 100 MHz의 반복률에서, 펄스는 약 10 ns만큼 시간적으로 이격되고 물리적으로 3 m만큼 이격된다. 결합된 빔(20 및 22)에서, 펄스 사이의 간격의 절반만큼 시간 오프셋(△t)(예를 들어, 100 MHz에서 5 ns)되고, 결합된 빔에서의 반복률은 효과적으로 배가된다(예를 들어, 200 MHz). 다른 시간 오프셋(△t)은 매우 인접한 펄스의 전달과 관련된 조사된 광학 재료에서 온도 프로파일을 조절하는 것을 비롯하여 다른 목적에 사용될 수 있다.
각각의 작용 빔(20 및 22)의 펄스(30 및 32)를 나타내는 도 1b의 화살표는, 상이한 평면에서, 펄스(30 및 32) 사이의 동일한 펄스 에너지를 나타내는 대략 동일한 길이로 도시된다. 그러나, 펄스 에너지는 또한, 예를 들어 반파장 플레이트(16)를 상이한 각도 위치로 회전시키고 이에 의해 출력 빔(14)의 편광축을 제1 편광 빔스플리터(18)의 직교 편광축 중 하나 또는 다른 편광축에 더 가깝게 배향시킴으로써, 각각의 작용 빔(20, 22)의 펄스(30, 32) 사이에 동일하지 않게 분포될 수 있다(즉, ≠45°).
따라서, 각각의 직교 편광된 작용 빔(20 및 22)에서 펄스(30 및 32)의 시간 오프셋(△t)을 제어하는 것에 추가하여, 펄스(30 및 32)의 상대적인 펄스 에너지는 또한 조사를 위해 의도된 광학 재료로의 에너지 전달을 조절하도록 제어될 수 있다. 더욱이, 2개의 빔의 전체 펄스 에너지는 출력 빔(14)을 가변적으로 감쇠시키기 위해 전기-광학 변조기 또는 음향-광학 변조기와 같은 변조기(33)에 의해 제어될 수 있다. 2개의 작용 빔(20, 22)의 전체 펄스 에너지 및 상대 펄스 에너지 뿐만 아니라 2개의 작용 빔(20, 22)의 펄스 사이의 시간 오프셋(△t)은 설정에 의해 수동으로 제어될 수 있거나 조작자로부터 입력을 받는 제어기(35)를 통해 자동으로 제어될 수 있다.
2개의 정렬된 작용 빔(20 및 22)의 상이한 편광 배향은 또한 2개의 빔의 후속 각도 또는 공간 분리를 허용한다. 게다가, 제2 편광 빔스플리터(28) 이전에 작은 각도 분리가 이루어질 수 있다. 예를 들어, 반사기(26)는 제2 빔스플리터(28)로부터의 출력으로서 작용 빔(20)에 대해 작용 빔(22)을 상대적으로 경사지게 하도록 그 입사 빔에 대한 45도 배향으로부터 약간 경사질 수 있다.
도 2는 2개의 직교 편광되고 상대적으로 경사진 작용 빔(20 및 22)이 반사기(36)에 의해 대물 렌즈(38)와 원하는 정렬로 반사되는 포커싱 시스템을 도시하며, 대물 렌즈는 2개의 작용 빔(20 및 22)을 광학 재료(44)의 공간적으로 오프셋된 초점 스팟(40 및 42)에 포커싱한다. 빔 멀티플렉서 시스템(10)의 일부로서 고려되는 대물 렌즈(38)는, 작용 빔(20, 22) 사이의 각도차(△α)를 초점 스팟(40 및 42) 사이의 중앙에서 측정되는 공간 오프셋(△s)으로 변환한다. 도시된 바와 같이, 2개의 초점 스팟(40 및 42)은 대물 렌즈(38)의 광축(39)을 가로질러 배향된 공통 평면(46)에서 측정값(△s)을 통해 오프셋된다. 대물 렌즈(38) 이전에, 작용 빔(20)은 광축(39)과 정렬되고 작용 빔(22)은 각도(△α)를 통해 광축(39)에 대해 경사진다. 그러나, 작용 빔(20 및 22) 중 하나 또는 둘 모두가 원하는 각도차(△α)를 생성하도록 광축(39)에 대해 경사질 수 있다. 도시된 바와 같이, 2개의 작용 빔(20 및 22)은 대물 렌즈(38) 이전에 분기된다. 그러나, 2개의 작용 빔은 또한 양쪽 빔을 수용하는 데에 요구되는 대물 렌즈(38)의 크기를 최소화하기 위해 대물 렌즈(38)에서 수렴하도록 배열될 수 있다. 바람직하게는, 양쪽 작용 빔(20 및 22)은 고도로 분해된 초점 스팟(40 및 42)을 형성하도록 대물 렌즈(38)의 애퍼처를 실질적으로 채우기에 충분한 횡방향 치수(예를 들어, 폭)를 갖는다.
대물 렌즈(38)는 바람직하게는 적어도 0.28의 조리개수를 갖는 현미경 대물 렌즈의 형태를 취할 수 있지만, 충분한 작업 거리가 존재하면 0.7 내지 1.0의 더 높은 조리개수가 흔히 바람직하다. 각각의 처리 구역으로서, 초점 스팟(40 및 42)은 각각의 빔(20 및 22)의 출력 밀도가 손상없이 광학 재료(44)의 굴절률을 변화시키기에 충분한 공간의 각각의 체적을 차지한다. 빔에 의해 전달되는 펄스에 대한 광학 재료의 반응에 따라 각각의 빔(20 및 22)에 의해 굴절률의 양 또는 음의 변화가 부여될 수 있다.
초점 스팟(40 및 42)이 공간 오프셋(△s)을 통해 분리된 상태로 유지되는 동안, 대물 렌즈(38)는 광학 재료(44)에 대해 상이한 방향으로 이동되어 0에서 공간 오프셋(△s)까지의 선 간격을 갖는 선형 트레이스 쌍을 기입할 수 있다. 도 3은, 예를 들어 Y 좌표축의 방향으로 각각의 주사에 의해 생성될 수 있는 라인 밀도를 배가시키기 위해 공간 오프셋(△s)과 동일한 선 간격에서 평행 트레이스(50 및 52)의 동시 기입을 도시한다. 작용 빔(40)은 트레이스(50)를 기입하고, 작용 빔(42)은 트레이스(52)를 기입한다. 각각의 주사는 초점 스팟(40 및 42) 사이의 공간 오프셋(△s)의 2배와 동일한 X 좌표축을 따른 양(△x)만큼 인덱싱된다. Y 좌표축을 따른 2개의 초점 스팟(40 및 42)의 주사는 도시된 전체 래스터 패턴을 기입하기 위해 초점 스팟(40 및 42)을 X 좌표축을 따라 증분값(△x)만큼 순차적으로 시프트하거나 또는 달리 인덱싱함으로써 상이한 시작 위치에서 반복된다. 물론, 도면에 도시된 치수는 비례척이 아니다. 예를 들어, 통상적인 선 간격은 약 0.5 μm이고, 그러한 선 간격에 대한 작용 빔(20 및 22) 사이의 각도차(△α)는 0.01도의 범위 내에 있을 수 있다. 임의의 더 작은 선 간격, 즉 초점 스팟(40, 42) 사이의 공간 오프셋(△s)보다 작은 선 간격은, 주사 방향을 초점 스팟(40, 42)을 연결하는 연결하는 선에 수직인 방향으로부터 연결선에 평행하게 더 가까운 방향으로 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 2개의 선형 트레이스(50, 52)를 한 번에 기입함으로써 선 밀도를 배가시키면, 굴절 구조가 광학 재료(44)에 기입되는 속도가 배가될 수 있다.
예를 들어, 도 4는 초점 스팟(40 및 42) 사이의 연결선에 평행한 X 좌표축을 따른 주사 방향을 도시한다. 여기서, 작용 빔(20, 22) 모두는, 트레이스(54)를 따라 광학 재료(44)의 굴절률을 변화 및 추가로 변화시키는 것과 같은 목적을 위해 각각의 주사 경로를 따른 동일한 트레이스(54)를 기입 및 재기입하기 위한 중첩 경로를 추적한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 초점 스팟(40, 42)에 의해 별도로 기입된 트레이스(50, 52)가 공통 길이를 따라 중첩되는 영역에 각각의 트레이스(54)가 형성된다. 트레이스(54)는, 각각의 주사 경로가 Y 좌표축의 방향으로 상대적으로 인덱싱되는 양에 대응하는 양(△y)만큼 중심에서 이격된다. 주사 방향(X)에서의 공간 오프셋(△s)은 주사 속도에 의존하는 광학 재료와 초점 스팟(40, 42)의 각각의 상호 작용 사이의 대응하는 시간 오프셋을 초래한다. 초점 스팟(40 및 42) 사이의 대응하는 시간 오프셋은, 후속 초점 스팟(예를 들어, 42)이 광학 재료(44) 내의 동일한 위치에서 추가 열을 발생시키기 전에 선도 초점 스팟(예를 들어, 40)에 의해 발생된 열이 적어도 부분적으로 소산되게 한다. 그러한 목적을 위해, 공간 오프셋(△s)은 광학 재료(44) 내에서 원하는 온도 프로파일을 유지하기 위해 주사 속도와 관련하여 조절될 수 있다.
공간 오프셋(△s)은, 펄스(30 및 32) 사이의 비동시 시간 간격 및 반복률의 전체 배가에 영향을 미치도록 도 1b에 도시된 바와 같이 원하는 시간 오프셋을 △t만큼 유지하면서 도 5에 도시된 바와 같이 0으로 감소될 수 있다. 여기서, 작용 빔(20, 22) 모두는 일치하는 초점 스팟(40, 42)으로 수렴하고 Y 좌표축을 따른 주사 경로에 의해 추적되는 것과 동일한 트레이스 세트(56)를 형성하는 데에 기여한다. 트레이스(56)는 주사 경로 사이의 인덱스 거리(△x)만큼 중심에서 이격된다. 작용 빔(20 및 22) 사이의 광 경로 길이 차이는 반복률의 역수의 일부 분율로서 시간(△t)을 통해 2개의 작용 빔(20 및 22)의 펄스(30 및 32)를 시간적으로 오프셋하도록 조절될 수 있다. 펄스(30 및 32)가 균등하게 이격될 때, 그 효과는 반복률을 배가시키는 것과 시간적으로 동등하다. 그러나, 불균등하게 이격될 때, 연속적인 쌍의 펄스(30 및 32)는 각 그룹의 펄스(30 및 32)가 보다 빠른 연속으로 전달되는 그룹으로 전달될 수 있다. 각 그룹 내의 펄스(30 및 32)가 펄스 폭 근방에서 이격되면, 그 영향은 펄스 폭을 확대시키는 것과 유사할 수 있다. 그러나, 약간 더 큰 시간 오프셋(△t)에서, 각 그룹의 연속 펄스(30 및 32)는 광학 재료(44)의 국소 체적 내에서 에너지 전달 프로파일을 추가로 제어하는 데에 사용될 수 있다. 게다가, 연속 펄스(30 및 32)에서 펄스 에너지의 상대적인 양은, 국소 체적 내의 에너지 전달 프로파일을 추가로 제어하기 위해, 예를 들어 반파장 플레이트(16)의 배향을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 에너지 전달 프로파일은, 광학 재료(44)의 굴절률을 변화시키기 위해 요구되는 최소 임계값 초과 및 광학 재료(44)의 의도된 광학 성능이 악영향을 받는 최대 임계값 미만의 국소 체적 내에서 에너지 축적을 상승시키고 유지하도록 설정될 수 있다. 이와 관련하여, 각 그룹 내의 연속 펄스(30 및 32) 중 제2 펄스는, 광학 재료(44)를 과열시키거나 달리 손상시키는 일 없이 광학 재료(44)의 국소화된 체적 내에서 원하는 비선형 흡수 특성을 최적화하기 위해 각 그룹 내의 연속 펄스(30 및 32) 중 제1 펄스보다 적은 펄스 에너지가 제공될 수 있다.
도 6은 초점 스팟이 재료를 가로질러 우측에서 좌측으로 주사될 때 광학 재료 내의 온도 프로파일을 도시한다. 온도 증가는 초점 스팟의 선단 에지에서 더 급격하고 집중되며 결과적인 온도 구배는 초점 스팟의 통과 후에 지속되고 확산되는 경향이 있다. 따라서, 후속 초점 스팟의 에너지 특성, 예를 들어 펄스 에너지, 펄스 폭 및 반복률 뿐만 아니라 공간 오프셋(△s) 및 주사 속도는, 후속 초점 스팟의 에너지가 추가되는 상이한 기본 레벨로서 광학 재료의 임의의 잔류 열 프로파일을 설명하도록 배열되어야 한다. 공간 오프셋(△s)이 주사 방향을 가로지르는 구성요소를 포함하는 경우에 유사한 고려 사항이 또한 적용된다.
대안적인 빔 멀티플렉서(60)가 광학 재료 내에 다중 깊이로 기입하기 위한 포커싱 시스템을 통합한 도 7에 도시되어 있다. 빔 멀티플렉서(10)와 공통인 다양한 요소는 동일한 참조 번호를 공유한다. 예를 들어, 빔 멀티플렉서(10)와 유사하게, 레이저 소스(12)는 시준된 실질적으로 선형 편광된 빔(14)을 출력하는데, 빔의 편광축은 제1 편광 빔스플리터(18)의 직교 편광축에 대해 원하는 배향으로 반파장 플레이트(16)에 의해 회전된다. 제1 편광 빔스플리터(18)는 시준된 출력 빔(14)을 2개의 직교 편광된 작용 빔(62 및 64)으로 분할한다. 반파장 플레이트(16)의 45도 배향으로부터의 출발은 2개의 작용 빔(62 및 64)의 상대 펄스 에너지를 조절하는 데에 사용될 수 있다. 변조기(33)는 출력 빔(14)의 전체 강도를 변조하는 데에 사용될 수 있고, 제어기(35)의 선택적인 제어 하에 조절 가능한 반파장 플레이트(16)와 함께, 2개의 작용 빔(62, 64)의 절대 및 상대 펄스 에너지를 모두 조절할 수 있다.
제1 직교 편광을 갖는 작용 빔(62)은 제2 빔스플리터(28)로 직접 전파된다. 반사기(24 및 26)는 제2 직교 편광을 갖는 작용 빔(64)을 제2 빔스플리터(28)로 지향시킨다. 그러나, 반사기(24, 26) 사이의 광학 영역을 따라, 망원경의 형태를 취할 수 있는 빔 성형 광학계(66)는 실질적으로 시준된 형태로부터 수렴 또는 전환 형태로 작용 빔(64)을 형상 변경한다. 발산 또는 수렴의 양은 수동으로 설정되거나 제어기(35)의 제어 하에 놓일 수 있다.
도 3의 포커싱 시스템과 유사한 포커싱 시스템(66)은 또한 제2 빔스플리터(28)의 출력에 도시되며 반사기(36) 및 대물 렌즈(38)를 포함한다. 반사기(35)는 시준된 작용 빔(62) 및 수렴 또는 발산 작용 빔(64)을 대물 렌즈(38)로 전달하는 데에 필요한 광학 요소를 나타낸다. 보다 명확한 예시를 제공하기 위해, 반사기(36)와 대물 렌즈(38) 사이에 파단부가 제공되는데, 대물 렌즈에서 작용 빔(62)은 시준된 빔으로 도시되고 작용 빔(64)은 대물 렌즈(38)에 접근하는 발산 빔으로 도시되어 있다. 또한, 예시의 목적으로, 시준된 작용 빔(62)의 횡방향 치수는 발산 작용 빔(64)의 횡방향 치수보다 작게 도시되어 있지만, 작용 빔(62 및 64)은 바람직하게는 대물 렌즈(38)의 애퍼처를 실질적으로 채우도록 크기 설정된다.
시준된 작용 빔(62)은 대물 렌즈(38)의 초점 길이에서 초점 스팟(72)에 포커싱하게 된다. 발산 작용 빔(64)은 대물 렌즈(38)로부터 더 먼 위치에 있는 초점 스팟(74)에 포커싱하게 되고, 이는 작용 빔(62 및 64) 모두에 동일한 수렴력을 적용한다. 2개의 초점 스팟(72 및 74)은 공간 오프셋(△v)을 통해 대물 렌즈(38)의 광축(68)을 따라 이격된 횡방향 평면(73 및 75)에 위치된다. 예시의 목적으로, 시준된 작용 빔(62)의 횡방향 치수는 발산 작용 빔(64)의 횡방향 치수보다 작게 도시되어 있지만, 작용 빔(62 및 64)은 바람직하게는 대물 렌즈(38)의 애퍼처를 실질적으로 채우도록 크기 설정된다. 예를 들어, 빔 셰이퍼(66)는, 발산 빔이 원하는 크기로 대물 렌즈(38)에 접근하도록 대물 렌즈(38) 이전에 초점을 통해 수렴하는 빔을 생성하는 데에 사용될 수 있다.
도 8은 광학 재료(44) 내에서 Z 좌표축을 따라 상이한 깊이에서 선형 트레이스(76 및 78)를 기입하기 위해 초점 스팟(72 및 74)을 통해 포커싱된 작용 빔(62 및 64)의 크게 확대된 개략도이다. 트레이스(76 및 78) 사이의 중심선 간격(△z)은 작용 빔(62 및 64)이 각각의 초점 스팟(72 및 74)을 통해 포커싱하게 되는 공간 오프셋(△v)에 대응한다. 트레이스(76 및 78)는 Y 좌표축을 따라 주사된 것으로 도시되고, 선형 트레이스 쌍(76 및 78)의 어레이는, 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같이 직교 X 축을 따라 인덱스 간격(△x)으로 Y 축 주사를 반복함으로써 형성될 수 있다.
초점 스팟(72 및 74) 사이의 공간 오프셋(△v)에 대응하는 간격(△z)은 굴절률 변화의 연속적인 층을 기입하기 위해 또는 굴절률 변화가 서로 부분적으로 또는 완전히 독립적인 상이한 층을 기입하기 위해 설정될 수 있다. 깊이의 공간 오프셋(△v)은 다른 시간 및 공간 오프셋과 결합될 수 있다. 예를 들어, 초점 스팟(72 및 74)은 시간(△t)만큼 시간적으로 오프셋된 각각의 작용 빔(62 및 64)의 펄스에 의해 형성될 수 있어, 양쪽 작용 빔의 펄스(예를 들어, 30 및 32)는 도 1b 및 도 5와 관련하여 설명된 바와 정확히 동시에 상부 층(예를 들어, 트레이스(76))을 가로지르지 않는다. 게다가, 초점 스팟(72 및 74)은 또한, 공간 오프셋(예를 들어, △s) 및 주사가 도 3과 관련하여 설명된 바와 같이 X 및 Y 좌표축에 대해 취해진 상대 방향에 따라 초점 스팟(72 및 74)을 더 공간적으로 분리하기 위해 그리고 도 4와 관련하여 설명된 바와 같이 공간 오프셋(예를 들어, △s) 및 주사 속도에 따라 초점 스팟을 더 시간적으로 분리하기 위해 XY 평면에서 공간적으로 오프셋될 수 있다. 작용 빔(62 및 64)의 상대 펄스 에너지는 또한 상이한 깊이에서의 기입과 관련된 상이한 필요 기입 파라미터를 보상하는 것과 상이한 목적을 보상하는 바와 같은 목적으로 조절될 수 있다. 예를 들어, 상이한 구면 수차 플레이트는 상이한 파워를 요구할 것이다.
광학 재료에서 상이한 깊이에 동시에 기입하기 위한 대안적인 2-빔 멀티플렉서 시스템(80)이 도 9에 도시되어 있다. 바람직하게는 앞서 설명한 유형의 펄스 레이저 형태인 레이저 소스(82)는 시준된 빔(84)을 방출하는데, 시준된 빔은 빔스플리터(86)에 의해 빔스플리터(86)를 통해 투과하는 제1 시준된 작용 빔(90) 및 빔스플리터(86)로부터 반사되는 제2 시준된 작용 빔(92)으로 분할된다. 빔스플리터(86)는, 예를 들어 앞서 설명한 바와 같은 편광 빔스플리터로서 또는 금속성, 예를 들어 "반도은(half-silvered)" 표면을 갖는 부분 반사기로서 다수의 방식으로 배열될 수 있다. 투과 대 반사의 비는 2개의 작용 빔(90 및 92)의 각각의 펄스 에너지를 조절하도록 다수의 공지된 방식으로 제어될 수 있다.
시준된 작용 빔(90)은 실질적으로 투과성 플레이트(94)를 통해 반사기(88)에 의해 대물 렌즈(96)로 반사되고, 이 대물 렌즈는 대물 렌즈(96)의 광축(95)을 따라 작용 빔(90)을 대물 렌즈(96)로부터 대략 하나의 초점 길이를 두고 횡방향 평면(101)의 초점 스팟(100)에 포커싱한다. 시준된 작용 빔(92)은, 렌즈(106)로부터 대략 하나의 초점 길이를 두고 실질적으로 투과성 플레이트(94) 상에 장착된 중앙 반사기(108) 상으로 작용 빔(92)을 포커싱하는 수렴 렌즈(106)를 통해 반사기(104)에 의해 반사된다. 중앙 반사기(108)로부터 반사된 후에, 작용 빔(92)은 발산 빔으로서 대물 렌즈(96)로 추가로 전파된다. 함께, 실질적으로 투과성 플레이트(94)와 중앙 반사기(108)는 2개의 작용 빔(90, 92)을 대물 렌즈(96)로 가는 도중에 중첩시키기 위한 다른 빔스플리터로서 기능한다. 그러나, 대물 렌즈(96)는 공간 오프셋(△v)만큼 초점 스팟(100)보다 대물 렌즈(96)로부터 먼 거리에서 횡방향 평면(103)에 위치된 초점 스팟(102)에 광축(95)을 따라 발산 작용 빔(92)을 포커싱한다.
공간 오프셋(△v)의 양은, 수렴 렌즈(106)의 초점 길이를 변경하고 중앙 반사기(108)와 함께 변환 렌즈(106) 및 실질적으로 투명한 플레이트(94)의 위치를 이에 따라 조절하는 것을 비롯하여 다수의 방식으로 조절될 수 있다. 수렴 작용 빔(92)에 대한 실질적으로 투과성 플레이트(944)의 각도 배향으로 인해 바람직하게는 타원 형상인 중앙 반사기(198)는 근축 구역(paraxial zone) 내에서 작용 빔(90)의 작은 비율의 광을 차단한다. 빔스플리터(86)는, 이 상대 손실 또는 시스템의 다른 곳에서의 다른 상대 손실을 보상하고, 광학 재료에서 원하는 에너지 프로파일을 달성하기 위해 필요에 따라 2개의 작용 빔(90 및 92)의 상대 펄스 에너지를 설정하도록 배열될 수 있다. 초점 스팟(102)의 크기 또는 형상에 영향을 미치는 임의의 원치 않는 수차를 보상하기 위해, 수렴 렌즈(106)는 비구면 광학계로서 형성될 수 있거나 하나 이상의 다른 보상기가 광학 영역을 따라 대물 렌즈(96)에 대해 위치될 수 있다.
광학 재료에서 상이한 깊이에 동시에 기입하기 위한 다른 2-빔 멀티플렉서 시스템(110)이 도 10에 도시되어 있다. 유사한 펄스 레이저 소스(112)는 시준된 빔(114)을 방출하는데, 시준된 빔은 빔스플리터(116)에 의해 빔스플리터(116)로부터 반사되는 제1 시준된 작용 빔(120) 및 빔스플리터(116)를 통해 투과하는 제2 시준된 작용 빔(122)으로 분할된다. 빔스플리터(116)는 앞서 설명한 바와 같이 다수의 방식으로 배열될 수 있다. 투과 대 반사의 비는 2개의 작용 빔(120 및 122)의 각각의 펄스 에너지를 조절하도록 앞서 설명한 바와 같이 다수의 공지된 방식으로 제어될 수 있다.
시준된 작용 빔(120)은 작용 빔(120)을 대물 렌즈(126)로 반사하는 실질적으로 반사성 플레이트(124)로 반사기(118)에 의해 반사되고, 대물 렌즈는 광축(128)을 따라 작용 빔(120)을 대물 렌즈(126)로부터 대략 하나의 초점 길이를 두고 횡방향 평면(131)의 초점 스팟(130)에 포커싱한다. 시준된 작용 빔(122)은 수렴 렌즈(134)에 의해 수렴 빔으로 포커싱되는데, 수렴 빔은 수렴 렌즈(134)로부터 하나의 초점 길이의 거리를 두고 반사기(136)로부터 실질적으로 반사성 플레이트(124)의 중앙 애퍼처(138) 내의 초점으로 반사된다. 포커싱된 수렴 빔은 초점으로부터 발산 빔으로서 대물 렌즈(126)로 더 전파된다. 따라서, 실질적으로 반사성 플레이트(124)는 중앙 애퍼처와 함께 대물 렌즈(126)로 가는 도중에 2개의 작용 빔(120, 122)을 재결합시키기 위한 다른 빔스플리터로서 기능한다. 작용 빔(122)은 광축(128)을 따라 대물 렌즈(126)에 의해 초점 스팟(132)에 포커싱되고, 초점 스팟은 초점 스팟(130)보다 대물 렌즈(126)로부터 공간 오프셋(△v)만큼 더 먼 거리에 위치된다. 앞서 설명한 바와 같이, 공간 오프셋(△v)의 양은 수렴 렌즈(134)의 초점 길이를 변경하고 변환 렌즈(134) 및 중앙 애퍼처(138)와 함께 실질적으로 반사성 플레이트(124)의 위치를 이에 따라 조절하는 것을 비롯하여 다수의 방식으로 조절될 수 있다. 수렴 작용 빔(122)에 대한 실질적으로 반사성 플레이트(124)의 각도 배향으로 인해 바람직하게는 타원 형상인 중앙 애퍼처(138)는, 작용 빔(120)의 작은 비율의 광이 대물 렌즈(126)를 향해 반사되는 것을 배제한다. 빔스플리터(116)는 이 상대 손실을 보상하거나, 다른 목적을 위해 광학 재료에서 원하는 에너지 프로파일을 달성하기 위해 필요에 따라 2개의 작용 빔(120 및 122)의 상대 펄스 에너지를 설정하도록 배열될 수 있다. 초점 스팟(132)의 크기 또는 형상에 영향을 미치는 임의의 원치 않는 수차를 보상하기 위해, 수렴 렌즈(134)는 비구면 광학계로서 형성될 수 있거나 하나 이상의 다른 보상기가 광학 영역을 따라 대물 렌즈(126)에 대해 위치될 수 있다.
광학 재료에서 상이한 위치 및 상이한 깊이 모두에 동시에 기입하기 위해 도 1a의 멀티플렉서 시스템(10)을 도 10의 멀티플렉서 시스템(110)과 결합하는 4-빔 멀티플렉서 시스템(140)이 도 11에 도시되어 있다. 멀티플렉서 시스템(10 및 110)과 실질적으로 공통인 요소는 앞서 설명한 시스템의 참조 번호로 표시된다.
펄스 레이저 소스(12)는 시준된 실질적으로 선형 편광된 빔(14)을 출력하는데, 빔의 편광축은 제1 편광 빔스플리터(18)의 직교 편광축에 대해 원하는 배향으로 반파장 플레이트(16)에 의해 회전된다. 제1 편광 빔스플리터(18)는 시준된 출력 빔(14)을 2개의 직교 편광된 작용 빔(20 및 22)으로 분할한다. 반파장 플레이트(16)의 45도 배향으로부터의 출발은 2개의 작용 빔(20 및 22)의 상대 펄스 에너지를 조절하는 데에 사용될 수 있다. 제1 직교 편광을 갖는 작용 빔(20)은 제2 빔스플리터(28)로 직접 전파된다. 반사기(24 및 26)는 제2 직교 편광을 갖는 작용 빔(22)을 제2 빔스플리터(28)로 지향시킨다. 그러나, 반사기(24 또는 26), 빔스플리터(28), 또는 후속 편광 민감성 광학계와의 만남 중 하나는 작용 빔(20)에 대해 작용 빔(22)을 상대적으로 각지게 경사지게 한다. 물론, 어느 한쪽 또는 양쪽의 작용 빔이 원하는 각도 관계를 달성하기 위해 경사질 수 있다.
상대적으로 경사진 작용 빔(20 및 22)은 반사기(142)에 의해 제3 빔스플리터(116)로 지향되고, 제3 빔스플리터는 작용 빔(20 및 22)을 빔스플리터(116)로부터 반사되는 제1 및 제2 시준된 작용 빔(120a 및 120b) 및 빔스플리터(116)를 통해 투과하는 제3 및 제4 시준된 작용 빔(122a 및 122b)으로 분할한다. 4개의 작용 빔 각각에서의 각각의 펄스 에너지는 반파장 플레이트(16)의 각도 배향 및 빔스플리터(116)의 상대 반사율을 조절하는 것을 비롯하여 다수의 방식으로 제어될 수 있다. 변조기(33) 뿐만 아니라 조작자 입력에 기초하여 작용 빔(120a, 120b, 122a 및 122b)의 다양한 파라미터를 제어하기 위한 제어기(35)가 또한 추가될 수 있다.
시준된 작용 빔(120a 및 120b)은 반사기(118)에 의해 작용 빔(120a 및 120b)을 대물 렌즈(126)로 반사시키는 실질적으로 반사성 플레이트(124)로 반사된다. 설명의 명확성을 위해, 대물 렌즈(126)로 가는 도중에 작용 빔(120b)만이 도시되어 있다. 작용 빔(120b)은, 대물 렌즈(126)의 광축(144)에 대해 참조된 각도 오프셋(△α)을 통해 경사진 상태로 도시되어 있다. 대물 렌즈(126)는 작용 빔(120b)을 횡방향 평면(131)에서, 렌즈(126)로부터 대략 하나의 초점 길이에 위치되지만 △s만큼 광축(144)으로부터 공간적으로 오프셋된 초점 스팟(130b)으로 포커싱한다. 시준된 작용 빔(122a 및 122b)은 수렴 렌즈(134)에 의해, 수렴 렌즈(134)로부터 대략 하나의 초점 길이의 거리를 두고 반사기(136)로부터 실질적으로 반사성 플레이트(124)의 중앙 애퍼처(138) 내의 각각의 초점으로 반사되는 수렴 빔으로 포커싱된다. 포커싱된 수렴 빔(122a, 122b)은 그 초점 위치로부터 발산 빔으로서 대물 렌즈(126)로 더 전파된다. 다시, 예시의 명확성을 위해, 대물 렌즈(126)로 가는 도중에 발산 작용 빔(122a)만이 도시되어 있다. 광축(144)을 따라 배향되는 작용 빔(122a)은, 대물 렌즈(126)에 의해 횡방향 평면(133) 내에서, 광축(144)을 따라 공간 오프셋(△v)만큼 초점 스팟(130b)을 지난 거리에 위치되는 초점 스팟(132a)에서 초점으로 된다. 도 11에는 도시되어 있지 않지만, 작용 빔(120a)은 바람직하게는 대물 렌즈(126)에 의해 초점 스팟(130b)과 유사하게 광축(144)을 따라 횡방향 평면(131) 내에 대물 렌즈(126)로부터 거리를 두고 위치된 초점 스팟(130a)에 포커싱된다. 유사하게, 작용 빔(122b)은 바람직하게는 대물 렌즈(126)에 의해, 초점 스팟(132a)과 유사하게 대물 렌즈(126)로부터 거리를 두지만 광축(144)에 대해 공간 오프셋(△s)을 두고 횡방향 평면(133) 내의 초점 스팟(132b)에 포커싱된다.
도 11과 동일한 평면에서, 하지만 크게 확대된 도면으로, 도 12는 초점 스팟(130a, 130b, 132a, 132b)이 생성되는 초점 위치를 통해 4개의 작용 빔(120a, 120b, 122a 및 122b)을 도시한다. 초점 스팟(130a, 132a)은 Y 좌표축을 따라 초점 스팟(130b, 132b)으로부터 공간 오프셋(△s)만큼 떨어져 있다. 초점 스팟(130a, 130b)은 Z 좌표축을 따라 초점 스팟(132a, 132b)으로부터 공간 오프셋(△v)만큼 떨어져 있다. 이 구성에서, 2개의 깊이 각각에서 2개의 트레이스가 광학 재료로 주사될 수 있다. 대안적으로, 단일 트레이스가 2개의 깊이 각각에서 주사될 수 있는데, 각각의 트레이스는 2개의 빔에 의해 주사된다. 선택된 오프셋(△s 및 △v) 및 주사 방향에 따라, 굴절률 변화는 광학 재료 내에 개별 트레이스 또는 연속 영역의 임의의 조합으로 기입될 수 있다. 게다가, 공간 오프셋(△s 및 △v), 및 주사 방향(및 주사 속도)은 시간 오프셋 뿐만 아니라 작용 빔(120a, 120b, 122a 및 122b) 사이의 펄스 에너지 분포와 결합되어, 의도된 성능을 저하시키는 상당한 광 산란 또는 흡수와 같은 브레이크다운을 또한 겪는 일 없이 국소화된 굴절률 변화를 받기 위해서 광학 재료의 경계 임계값에서 광학 재료 내에 에너지 프로파일을 달성 및 유지할 수 있다.
작용 빔은 또한 다초점 렌즈 설계에 의해 공간적으로 오프셋될 수 있다. 다중 초점 길이는 복합 굴절 또는 회절 광학계 뿐만 아니라 동일한 광학계 내에서의 굴절 및 회절의 조합에 의해 달성될 수 있다. 상이한 초점 길이에서 초점 스팟으로 전달되는 에너지의 양 뿐만 아니라 상이한 초점 길이에서 상이한 초점 스팟의 수가 제어될 수 있다.
펄스의 상이한 트레인 사이의 시간 및 공간 오프셋을 조절하는 것에 추가하여, 펄스의 형상이 또한 광학 재료에서의 기입 성능을 개선시키기 위해 제어될 수 있다. 예를 들어, 펄스는 구면 수차의 도입을 포함하는 다양한 포커싱 기술에 의해 전파 방향으로 연장될 수 있다. 현저하게, 그러한 펄스 연장은 개별 초점 스팟이 굴절률 변화를 부여할 수 있는 재료의 체적을 연장시킬 수 있다. 더 많은 광 출력이 연장된 체적 내에서 전달될 수 있어 광학 재료의 손상 임계값을 초과하는 일 없이 더 큰 깊이를 통해 굴절률의 변화를 가능하게 한다.
도 13a 및 도 13b의 그래프는 상이한 형상의 펄스에 대해 증가하는 평균 광 출력 Pavg의 범위에 걸쳐 위상 변화(△φ)의 예시적인 플롯을 비교한다. 위상 변화(△φ)는 광학 재료(44) 내에서 연장된 깊이에 걸쳐 굴절률 변화와 관련된 광학 재료를 통한 광의 전파에 대한 원하는 시간 효과이다. 주어진 파장에 대한 위상 변화(△φ)는 굴절률 변화와 굴절률 변화가 기입되는 깊이의 곱(예를 들어, △φ = (2π △n d)/λ; 여기서, △n은 굴절률 변화이고, d는 변화된 굴절률 재료를 통해 광이 통과하는 거리이며, λ는 광의 파장이다)에 기초한다. 함께, 굴절률 변화(△n)와 변화된 굴절률 재료를 통해 광이 통과하는 물리적 거리(d)의 곱은 광 경로차(optical path difference)(OPD)와 동일하며, 광 경로차는 광학 재료를 통해 전파되는 광이 경험하는 위상 변화(△φ)에 대한 기초이다. 보정된 위상 변화(△φ)는 광 출력에 기여하거나 광학 수차를 제어하기 위해 광학 재료를 통해 전파되는 파면의 원하는 형상 변경에 기여할 수 있다. 평균 출력(Pavg)은 펄스 에너지와 반복률의 곱(예를 들어, Pavg = Ep Rrate; 여기서, Ep는 펄스 당 에너지이고 Rrate는 반복률이다)으로부터 계산될 수 있다.
도 13a는 상당한 구면 수차 또는 다른 초점 스팟 연장 없이 생성된 종래의 초점 스팟 내에서 광학 재료로 전달되는 증가하는 평균 출력(Pavg)을 적용하는 상황에서 위상 변화(△φ)의 점진적인 증가를 도시한다. 특정 평균 출력(Pavg)에서, 위상 변화(△φ)에 대한 영향이 불규칙하게 되는 손상 임계값(TD)에 도달한다. 도 13b는, 구면 수차 또는 다른 초점 스팟 연장에 의해 형상 변경된 초점 스팟 내에 손상 임계값(TD)이 도달하기 전에, 추가 평균 출력(Pavg)이 광학 재료에 전달되어 총 위상 변화(△φ)를 추가로 증가시킬 수 있다는 것을 도시한다. 즉, 연장된 초점 스팟은 유사하게 연장되지 않은 초점 스팟보다 더 많은 평균 출력(Pavg)을 수신하고 더 큰 위상 변화(△φ)를 초래할 수 있다.
광학 재료에서 화학 방사선의 임의의 1회 선량에 의해 초래될 수 있는 굴절률의 변화는 재료의 손상 임계값에 의해 제한되지만, 연장된 초점 스팟은 더 큰 깊이를 통해 굴절률 변화를 연장시킴으로써 굴절률의 변화에 의해 지원되는 위상 변화를 증가시킬 수 있다. 통상적으로 형성된 초점 스팟의 경우, 굴절률의 변화는 흔히 2π 위상 변화를 지원하기에는 너무 작은데, 2π 위상 변화는 흔히 프레넬 또는 광학 재료에 기입되는 다른 유형의 세그먼트화된 광학 구조에서 위상 불연속을 최소화하기 위해 요구된다. 그러나, 연장된 깊이에 걸쳐 초점 스팟을 연장시킴으로써, 2π 위상 변화를 초래하기 위해 단 하나의 층 또는 적어도 소수의 층만이 기입되면 된다. 따라서, 연장된 깊이에 걸쳐 굴절률 변화를 기입하면, 그러한 광학 구조의 보다 빠르고 정확한 기입이 가능하게 되며, 보다 높고 효율적인 광학 성능을 초래할 수 있다.
도 14에 도시된 빔 멀티플렉서 장치(200)는 공통의 참조 번호에 의해 나타낸 바와 같이 도 7에 도시된 멀티플렉서 장치(60)와 공통인 다수의 구성요소를 공유한다. 공통의 구성요소에 추가하여, 멀티플렉서 장치(200)는, 2개의 빔(62 및 64)이 실질적으로 시준된 형태로 전파되는 위치에서 2개의 직교 편광된 작용 빔(62 및 64)의 각각의 경로를 따라 구면 수차 보상 플레이트(202 및 204) 형태의 2개의 빔 셰이퍼를 포함한다. 그러나, 작용 빔(62 및 64)에 영향을 미치는 다른 원치 않는 구면 수차를 보상하기 위해 구면 수차의 각각의 측정값을 추가하는 대신에, 구면 수차 보상 플레이트(202, 204)는 빔 전파 방향으로 광학 재료(44)의 연장된 초점 스팟(206 및 208)을 생성하기 위해 전체적으로 또는 적어도 부분적으로 교정되지 않은 상태로 있는 구면 수차를 도입한다. 구면 수차 보상 플레이트(202 및 204) 모두는 포지티브 구면 수차 또는 네거티브 구면 수차를 도입하거나, 또는 플레이트 중 하나(202 또는 204)는 포지티브 구면 수차를 도입할 수 있고 플레이트 중 다른 하나(202 또는 204)는 네거티브 구면 수차를 도입할 수 있다. 게다가, 포지티브 및 네거티브 구면 수차의 조합을 도입하는 것이 가능하다. 대안적으로, 단지 초점 스팟(206 또는 208) 중 하나 또는 다른 하나만이 구면 수차에 의해 연장되도록 하나 또는 다른 구면 수차 보상 플레이트(202 또는 204)만이 사용될 수 있다. 그러한 구면 수차 보상 플레이트는, 상표명 TECHSPEC® Spherical Aberration Plate 하에 뉴저지주 버링턴 소재의 Edmund Optics Inc.사로부터 입수 가능하다.
도 15의 크게 확대된 축방향 도면에서, 연장된 초점 스팟(206 및 208)은, 광학 재료(44) 내에서 Z 좌표축을 따라 상이한 깊이에서 굴절률의 국소 변화를 특징으로 하는 선형 트레이스(210 및 212)를 기입한다. 트레이스(210 및 212) 사이의 중심선 간격(△z)은 작용 빔(62 및 64)이 각각의 초점 스팟(206 및 208)을 통해 포커싱하게 되는 공간 오프셋(△v)에 실질적으로 대응한다. 트레이스(210 및 212)는 Y 좌표축을 따라 주사된 것으로 도시되고, 선형 트레이스 쌍(210 및 212)의 어레이는, 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같이 직교 X 축을 따라 인덱스 간격(△x)으로 Y 축 주사를 반복함으로써 형성될 수 있다.
또한, 다른 실시예와 유사하게, 초점 스팟(206 및 208) 사이의 공간 오프셋(△v)에 대응하는 간격(△z)은 굴절률 변화의 연속적인 층을 기입하기 위해 또는 굴절률 변화가 서로 부분적으로 또는 완전히 독립적인 상이한 층을 기입하기 위해 설정될 수 있다. 깊이의 공간 오프셋(△v)은 다른 시간 및 공간 오프셋과 결합될 수 있다. 예를 들어, 초점 스팟(206, 208)은 시간(△t)만큼 시간적으로 오프셋된 각각의 작용 빔(62, 64)의 펄스에 의해 형성될 수 있어, 각각의 펄스는 정확히 동시에 상부 층(예를 들어, 트레이스(210))을 가로지르지 않는다. 게다가, 초점 스팟(206 및 208)은, 공간 오프셋(예를 들어, △s) 및 주사가 도 3과 관련하여 설명된 바와 같이 X 및 Y 좌표축에 대해 취해진 상대 방향에 따라 초점 스팟(206 및 208)을 더 공간적으로 분리하기 위해 XY 평면에서 공간적으로 오프셋될 수 있다. 초점 스팟(206 및 208)은 도 4와 관련하여 설명된 바와 같이 공간 오프셋(예를 들어, △s) 및 주사 속도에 따라 추가로 시간적으로 그리고 공간적으로 오프셋될 수 있다. 작용 빔(62 및 64)의 상대 펄스 에너지는 또한 상이한 깊이에 기입하는 것과 관련된 상이한 손실을 보상하는 것과 같은 그러한 목적을 위해 조절될 수 있다.
그러나, 이전의 실시예와 달리, 초점 스팟(206, 208)은 작용 빔(62, 64)에 추가된 구면 수차의 결과로서 Z 축을 따라 연장된다. 작용 빔(62 및 64)에 의해 전달된 레이저(12)의 출력 파워는 추가된 구면 수차의 함수로서 증가되어, 초점 스팟(206 및 208)에 의해 수신된 출력은, 광학 재료(44)의 브레이크다운 임계값 미만으로 유지하면서, 연장된 초점 깊이의 적어도 일부에 걸쳐 광학 재료(44)의 굴절률의 원하는 변화를 유도하는 데에 요구되는 비선형 흡수 임계값 초과로 유지된다. 바람직하게는, 트레이스(210 및 212) 각각은, 광학 재료(44)를 통한 전파를 위해 의도된 공칭 파장에 대해 2π 위상 변화를 개별적으로 또는 집합적으로 지원하기 위해 트레이스(210 및 212) 내에 충분한 두께(T)(초점 스팟(206 및 208)의 연장된 깊이 치수에 대응함)로 기입된다. 예를 들어, 트레이스 중 적어도 하나는 2π 위상 변화를 지원할 수 있는 두께(T)를 갖는다. 대안적으로, 트레이스 쌍으로 기입된 트레이스(210 및 212)는 2π 위상 변화를 지원할 수 있는 결합된 두께(예를 들어, 2T)를 가질 수 있다. 어느 쪽이든, 작용 빔(62, 64)을 집합적으로 포커싱하면, 대물 렌즈(38)가 광학 재료(44)에 대해 상대적으로 이동될 때 2π 위상 변화가 초래된다. 많은 비전 시스템에서, 공칭 파장은 약 550 nm일 것으로 예상되며, 0.02의 인덱스 변화는 약 27.5 미크론의 두께를 갖는 트레이스를 필요로 한다.
초점 스팟(206 및 208)과 같은 초점 스팟의 형상은 포지티브 또는 네거티브 수차의 도입에 의해 전파 평면에서, 즉 축방향 평면에서 연장될 수 있다. 포지티브 구면 수차는 전파 방향과 반대 방향으로 초점 스팟을 연장시키는 경향이 있고 네거티브 구면 수차는 전파 방향으로 초점 스팟을 연장시키는 경향이 있다. 즉, 추가된 구면 수차는, 피크 초점으로부터 축방향으로 오프셋된 위치에서 광 강도를 상대적으로 증가시키면서, 피크 초점에서 광 강도를 시프트 및 감소시키는 전체적인 효과를 갖는다. 포지티브 및 네거티브 구면 수차는 피크 초점을 반대 방향으로 시프트시키는 경향이 있으며, 이는 각각의 트레이스(210 및 201)가 기입되는 깊이 및 축방향 간격을 추가로 제어하는 데에 사용될 수 있다.
도 16에서, 초점 스팟의 Z 축을 따른 예시적인 축방향 강도 분포가 3개의 상이한 양의 구면 수차에 대해 플로팅되어 있다. 이 데이터는 6 mm의 빔 직경을 갖는 405 nm의 파장 빔을 가우스 형태로 전달하기 위해 0.7의 조리개수를 갖는 대물 렌즈를 나타낸다. 플롯(220)은 구면 수차가 없는 초점 스팟의 축방향 강도 분포를 나타내며, 공칭 초점 평면 내에서 z = 0에 센터링된 종래의 가우스 초점으로 나타난다. 점선으로 도시된 플롯(222)은 제1 크기의 네거티브 구면 수차(예를 들어, 2 미크론의 구면 수차)를 보여주는 초점 스팟의 축방향 강도 분포를 나타낸다. 점선으로 도시된 플롯(224)은 더 큰 제2 크기의 네거티브 구면 수차(예를 들어, 6 미크론의 구면 수차)를 보여주는 초점 스팟의 축방향 강도 분포를 나타낸다. 일반적으로, 강도 분포의 피크는 네거티브 구면 수차의 크기가 증가함에 따라 감소하고 광원으로부터 멀어지는 방향으로 시프트하는 경향이 있다. 게다가, 강도는 구면 수차가 더 뚜렷해짐에 따라 초점 깊이를 통해 더 넓게 분포하는 경향이 있다.
연장된 깊이의 초점 스팟에 전달된 광 출력의 증가는 광학적 손상을 유발하는 일 없이 광학 재료(44)의 굴절률 변화를 기입하기 위해 피크 초점 근방의 원하는 광 강도를 복원할 뿐만 아니라, 광 출력의 증가는 또한 광학 재료의 더 큰 깊이에 걸쳐 원하는 굴절률 변화를 기입하기 위해 비선형 임계값을 초과하는 피크 초점의 어느 한쪽으로 강도를 상승시킨다. 연장된 초점 스팟에 전달되는 전체 광 출력량을 증가시킴으로써, 구면 수차 초점 스팟과 관련된 축방향 강도 분포는 손상 임계값(TD) 미만으로 유지하면서 연장된 깊이에 걸쳐 비선형 흡수 임계값(TA)을 초과하여 상승될 수 있다.
구면 수차 보상 플레이트(202 및 204)는 시준된 빔에 구면 수차를 도입하는 준비 방법을 제공하지만, 예를 들어 수렴 또는 발산 빔 내에 구면 수차를 도입하는 다양한 다른 방법이 알려져 있다. 예를 들어, 근축 광선보다 경계 광선을 굴절시킴으로써 다양한 양의 구면 수차를 도입하기 위해 다양한 광학 두께의 단순한 평면 평행 플레이트가 비-시준된 빔에 사용될 수 있다. 렌즈 내의 구면 수차를 조절하는 데에 사용될 수 있는 보정 링이 있는 특정 렌즈가 또한 이용 가능하다.
게다가, 구면 수차는 빔 성형 광학계에 의해 비교적 제어하기 용이한 광학 파라미터이지만, 다양한 다른 방법을 사용하여 연장된 깊이의 초점 스팟을 생성할 수 있다. 예를 들어, 일반적으로 더 큰 스팟 크기에 포커싱되는 비-회절-제한 빔(non-diffraction-limited beam)은, 또한 빔 중간부로부터 빔 단면의 면적이 배가되는 지점까지 레일리 범위(Rayleigh range)의 확장으로서, 초점 깊이를 따라, 즉 근축 근사로 확장되도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 아포다이저(apodizer) 및 회절 광학계를 비롯한 다양한 유형의 빔 셰이퍼가 사용될 수 있다.
전파 방향으로 연장되는 연장된 깊이 초점 스팟은, 특히 펨토초 레이저를 이용하여, 특히 높은 조리개수(예를 들어, 0.28 초과) 및 높은 반복률(예를 들어, 10 MHz 초과)로 안과용 재료에 기입하는 데에 유용하다. 연장된 깊이 초점 스팟은 레이저 방사선의 선량이 안전 목적으로 제한되는 경우 안과용 재료에서 더욱 효율적인 광 출력의 사용을 허용한다. 고속으로 높은 조리개수 내에 더 큰 체적에 걸쳐 기입함으로써, 환자에게 전달되는 레이저의 출력의 선량이 감소될 수 있다.
도 17은 광학 재료에 대해 3개의 좌표축을 따라 포커싱 시스템을 상대적으로 이동시키기 위해 적층된 스테이지를 이용하여 광학 재료 내에 굴절 구조(152)를 기입하기 위한 광 기계식 스캐너(150)의 개략도이다. 광 기계식 스캐너(150)는 제1 주사 운동축(158)을 따라 광학 조립체(156)를 신속하게 병진시키기 위해 제공되는 고속 축 스캐너(154)로서 왕복 진탕기(reciprocal shaker)(예를 들어, 급속 진탕 임펠러)를 포함한다. 광학 조립체(156)는 작용 빔을 광학 재료에 포커싱하기 위해 이전의 실시예의 대물 렌즈와 유사한 대물 렌즈를 포함한다. 고속 깊이 제어 스테이지 및 구면 수차 보정 스테이지가 또한 광학 조립체(156)에 통합될 수 있다. 고속 깊이 제어는 각도 운동 오차를 보정하여, 구면 수차 스테이지가 구면 수차를 보정하여 초점 스팟 품질을 개선시키는 데에 사용될 수 있다는 것을 보장한다. 작용 빔의 하나 이상의 초점 스팟(151)은 광 기계식 스캐너(150)에 의해 부여되는 바와 같이 광학 재료에 주사 경로를 따라 지향된다.
광 기계식 스캐너(150)는 또한 광학 조립체(156)와 고속 축 스캐너(154)를 제1 주사 운동축(158)에 직교하게 배향된 제2 주사 운동축(162)을 따라 병진시키는 운동 스테이지(160)를 포함한다. 운동 스테이지(160)는 고속 축 스캐너(154)에 의해 부여된 운동과 동기하여 연속적인 또는 계단식 운동을 제공하도록 배열될 수 있다. 운동 스테이지(160)와 고속 축 스캐너(154) 사이에 정밀 높이 스테이지(164)가 개재되어 초점 스팟(151)이 광학 재료에 기입되는 깊이를 제어하는 것과 같은 목적을 위해 제3 주사 운동축(166)을 따라 고속 축 스캐너를 상승 및 하강시킨다.
광 기계식 스캐너(150)는 특히 광학 재료에 대해 광학 조립체(156)를 이동시키도록 배열되며, 이는 광학 재료가 쉽게 이동될 수 없는 생체 내 용례에 특히 유용할 수 있다. 그러나, 다른 용례 또는 고려 사항을 위해, 운동축은 광학 조립체(156)와 광학 재료 사이에 임의의 조합으로 분포될 수 있고, 회전축을 포함하는 하나 이상의 추가 운동축이 필요에 따라 추가될 수 있다.
고속 축 스캐너(154)는 고속 왕복 운동을 제공하는 상업용 기진기(vibration exciter)일 수 있다. 그러한 상업용 기진기의 한가지 예는 덴마크 내룸 소재의 Bruel & Kjaer Sound & Vibration Measurement A/S에서 판매하는 Bruel and Kjaer Measurement Exciter Type 4810이다. 운동 스테이지(160 및 164)는 캘리포니아주 어바인 소재의 Newport Corporation에서 판매하고 운동축을 적층하기 위해 적절한 인터페이스 플레이트(170, 172)를 통해 조정된 Newport GTS 시리즈로부터의 측방향 운동을 위한 모델 GTS70 및 수직 운동을 위한 모델 GTS20V와 같은 고정밀 선형 스테이지일 수 있다.
다양한 축(158, 162 및 164)을 따른 운동은 원하는 기입 패턴의 형태의 입력부(176)를 다양한 축(158, 162 및 164)을 따른 운동으로 병진시키는 제어기 및 증폭기(174)의 배열에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 고속 축 스캐너(154)는 임의적 파형 발생기에 의해 제어될 수 있다. 그러한 파형 발생기는 캘리포니아주 산타 클라라의 Agilent Technologies, Inc.에 의해 판매된다. 제1 주사 운동축(158)을 따른 운동의 파형은, 예를 들어 제1 주사 운동축(158)을 따라 원하는 굴절률 패턴을 초래하도록 배열된다. 임의적 파형을 고속 축 스캐너(154)에 전송하는 대신, 특별히 조절된 사인파가 전송되어 성능을 최대화할 수 있다. 예를 들어, 구동 주파수는, 아래의 운동 스테이지(160 및 166)를 포함하는 지지 구조 내로 최소 교란을 유도하면서 고속 운동을 가능하게 하기 위해 고속 축 스캐너(154)의 공진 주파수로 조절될 수 있다.
작용 빔(180)은 광학 조립체(156)와 작용 빔(180)의 적절한 정렬을 보장하기 위해 각각의 운동축을 따라 정렬되고 조향된다. 예를 들어, 인터페이스 플레이트(172) 상에 장착된 반사기(182)는 작용 빔(180)을 운동축(162)과 정렬된 배향으로 수신하고, 작용 빔(180)을 인터페이스 플레이트(170)의 애퍼처(184)를 통해 운동축(166)의 방향으로, 인터페이스 플레이트(170) 상에 고속 축 스캐너(154)와 함께 장착된 반사기(186)로 재지향시킨다. 반사기(186)는 작용 빔(180)을 고속 축 스캐너(154) 위에서 운동축(158) 방향으로 재지향시킨다. 인터페이스 플레이트(170)로부터 또한 바람직하게 장착되는 반사기(188 및 190)는 동일한 평면 내에서 작용 빔(180)을, 작용 빔(180)을 광학 조립체(156)의 광축(194)과 정렬시키는 폴드 프리즘과 같은 반사기(192)로 재지향시킨다.
광학 재료 내에 굴절 구조(152)를 기입하기 위해 적절한 경로에 거쳐 작용 빔(180)을 지향시키도록 이미지 중계 시스템을 갖는 각도 주사 회전 다각형 미러 또는 각도 주사 갈바노미터 제어 미러를 사용하는 스캐너와 같은 다른 유형의 단일 또는 다축 스캐너가 통합될 수 있다.
제어기 및 증폭기(174)는 또한 하나 이상의 운동축(158, 162 및 166)을 따른 운동과 관련하여 작용 빔(180)의 강도를 조절하기 위해 전기-광학 변조기 또는 음향-광학 변조기와 같은 변조기(196)를 제어하기 위한 제2 동기화 임의적 파형 발생기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 초점(151)에서의 빔 강도는 운동축(15)을 따라 주사하는 동안 변경될 수 있거나, 초점에서의 빔 강도는 각각의 새로운 트레이스가 기입되기 전에 새로운 고정 값으로 리셋될 수 있다. 작용 빔이 광학 재료 내의 에너지 프로파일을 보다 완전히 조절하기 위해 운동축(158, 162, 166)의 임의의 조합을 따라 이동될 때, 펄스 에너지의 분포를 비롯한 보다 통합된 강도 제어가 개별 작용 빔 사이에 제공될 수 있다. 작용 빔 사이의 전체 강도 또는 강도 분포를 조절하는 데에 사용될 수 있는 변조기(196)는 작용 빔을 생성하기 위해 사용되는 레이저와 광학 재료의 표면 사이의 광 경로에 배치된다. 그러나, 변조기(196)는 바람직하게는 다수의 작용 빔을 가변적으로 감쇠시키기 위해 빔스플리터 이전에 위치된다. 도 1 및 도 7의 제어기(35)는 또한, 도 1 및 도 7의 반파장 플레이트(16) 중 하나 이상을 조절하는 제어기 및 증폭기(174), 도 1의 지연 요소(34), 및 작용 빔(180) 사이의 다양한 파라미터를 조절하는 도 7의 빔 셰이퍼 사이에 통합될 수도 있다.
광 기계식 스캐너(150)와 같은 스캐너는, 레이저 출력, 파장 및 주사 속도에 대한 원하는 파라미터와 함께 배치되어 100 mm/sec를 초과하는 속도로 광학 재료에 밀리미터 규모의 디바이스(최대 약 8 mm 폭)를 기입할 수 있다. 각 트레이스가 기입된 후 주사 속도를 변경함으로써 및/또는 다음 트레이스가 기입되기 전에 레이저 강도를 변경함으로써, 측방향 구배 인덱스 마이크로 렌즈가 기입될 수 있다. 게다가, 굴절률은 트레이스의 길이를 따라 빔 강도 또는 주사 속도를 변화시킴으로써 또는 둘의 일부 조합에 의해 변경된다. 포지티브 렌즈와 네거티브 렌즈(원통형 렌즈와 반대) 모두는 중첩하는 렌즈와 동기 강도 제어의 조합을 사용하여 기입될 수 있다. 전체 굴절력은 이들 파라미터 뿐만 아니라 전체 위치 설정 및 레이저 변조기를 사용하여 원하는 형상에 맞춤화될 수 있다.
유용한 주사 시스템의 추가 세부 사항은, 발명의 명칭이 층상 구배 인덱스 마이크로 렌즈를 위한 높은 조리개수의 광 기계식 스캐너, 방법 및 어플리케이션인 미국 특허 출원 공개 제20160144580 A1호에 설명되어 있고, 이 출원은 본 명세서에 참고로 포함된다. 예시적인 적절한 방법 및 기술은, 예를 들어 Knox 등에게 허여된 미국 특허 제7,789,910 B2호, 굴절률을 변경하기 위한 광학 재료 및 방법(OPTICAL MATERIAL AND METHOD FOR MODIFYING THE REFRACTIVE INDEX); Knox 등에게 허여된 미국 특허 제8,337,553 B2호, 굴절률을 변경하기 위한 광학 재료 및 방법(OPTICAL MATERIAL AND METHOD FOR MODIFYING THE REFRACTIVE INDEX); Knox 등에게 허여된 미국 특허 제8,486,055 B2호, 안구 조직의 굴절률을 변경하기 위한 방법(METHOD FOR MODIFYING THE REFRACTIVE INDEX OF OCULAR TISSUES); Knox 등에게 허여된 미국 특허 제8,512,320 B1호, 안구 조직의 굴절률을 변경하기 위한 방법(METHOD FOR MODIFYING THE REFRACTIVE INDEX OF OCULAR TISSUES); 및 미국 특허 제8,617,147 B2호, 안구 조직의 굴절률을 변경하는 방법(METHOD FOR MODIFYING THE REFRACTIVE INDEX OF OCULAR TISSUES)에서 설명되었다. '910, '553, '055, '320 및 '147 특허를 비롯하여 위에서 언급된 모든 특허는 모든 목적을 위해 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.
상기 개시된 피처 및 다른 피처와 기능의 변형, 또는 그 대안은 많은 다른 상이한 시스템 또는 애플리케이션에 결합될 수 있음이 이해할 것이다. 아래의 청구범위에 의해 포함되도록 또한 의도되는, 현재 예측하지 못한 또는 예기치 않은 다양한 대안, 수정, 변형 또는 개선이 본 기술 분야의 숙련자에 의해 후속적으로 이루어질 수 있다.

Claims (31)

  1. 굴절률 기입 시스템이며,
    펄스 레이저 소스, 상기 펄스 레이저 소스의 출력을 광학 재료의 초점 스팟에 포커싱하기 위한 대물 렌즈, 및 굴절률의 변화에 의해 정의되는 하나 이상의 트레이스를 광학 재료에 기입하기 위해 주사 영역을 따라 상대 속도 및 방향으로 초점 스팟을 광학 재료에 대해 상대적으로 이동시키기 위한 스캐너;
    레이저 소스의 출력을, 대물 렌즈에 의해, 광학 재료 내에서 시간적으로 및 공간적으로 중 적어도 하나로 오프셋된 초점 스팟에 포커싱되는 적어도 2개의 작용 빔으로 분할하기 위한 빔 멀티플렉서를 포함하고,
    상기 스캐너는 에너지 프로파일을 주사 영역을 따라 광학 재료 내에서, 광학 재료의 비선형 흡수 임계값을 초과하여 그리고 상당한 광 산란 또는 흡수가 광학 재료의 의도된 성능을 저하시키는 광학 재료의 브레이크다운 임계값 미만으로 유지하기 위해 초점 스팟의 상대 속도 및 방향을 설정하도록 조절될 수 있는, 굴절률 기입 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 펄스 레이저 소스는, 0.01 nJ 내지 10 nJ의 펄스 에너지, 8 fs 내지 500 fs의 펄스 지속 시간, 및 10 MHz 내지 500 MHz의 반복률을 갖는 일련의 펄스로 구성되는 시준된 출력 빔을 생성하도록 배열되는, 굴절률 기입 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 빔 멀티플렉서에 의해 분할된 적어도 2개의 작용 빔은 출력 빔의 펄스 에너지의 미리 결정된 부분을 공유하는 펄스로 구성되는, 굴절률 기입 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 멀티플렉서는 적어도 2개의 작용 빔을 시간 오프셋, 각도 오프셋, 및 빔 폭의 변화 중 적어도 하나에 의해 추가로 구별하도록 배열되는, 굴절률 기입 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 빔 셰이퍼는 작용 빔 중 적어도 하나를 형상 변경하여 초점 스팟 중 적어도 하나를 전파 방향으로 연장시키는, 굴절률 기입 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 대물 렌즈는 작용 빔을 광학 재료 내의 초점 스팟에 집합적으로 포커싱하도록 배열되는, 굴절률 기입 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 빔 멀티플렉서는,
    상기 출력 빔을 제1 광학 영역을 따라 전파하는 제1 작용 빔과 제2 광학 영역을 따라 전파하는 제2 작용 빔으로 분할하는 제1 빔스플리터, 및
    상기 제1 및 제2 작용 빔을 대물 렌즈로 가는 도중에 적어도 부분적으로 중첩시키는 제2 빔스플리터를 포함하는, 굴절률 기입 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 빔스플리터는 제1 편광을 갖는 제1 작용 빔을 전파하고 제2 편광을 갖는 제2 작용 빔을 전파하는 편광 빔스플리터이고, 빔 멀티플렉서는 제1 및 제2 작용 빔의 상대 펄스 에너지를 조절하기 위해 제1 편광 빔스플리터 이전에 편광 회전자를 포함하는, 굴절률 기입 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제1 광학 영역은 제1 및 제2 작용 빔을 상대적으로 각도 오프셋하기 위한 제2 광학 영역에 관련되고, 광축을 갖는 대물 렌즈는 작용 빔 사이의 각도 오프셋을 광축을 따라 주어진 횡방향 평면에서 초점 스팟 사이의 공간 오프셋으로 변환하는, 굴절률 기입 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 빔 멀티플렉서는 제1 및 제2 작용 빔 중 하나의 빔 폭의 점진적인 변화를 제1 및 제2 작용 빔 중 다른 하나에 대해 부여하기 위해 제1 및 제2 영역 중 적어도 하나를 따라 위치된 광 출력을 갖는 광학계를 포함하고, 광축을 갖는 대물 렌즈는 빔 폭의 점진적인 변화를 광축을 따라 상이한 횡방향 평면에서 초점 스팟 사이의 제2 공간 오프셋으로 변환하는, 굴절률 기입 시스템.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 작용 빔의 초점 스팟 사이의 시간적 및 공간적 오프셋 중 적어도 하나를 제어하기 위한 적어도 하나의 제어기를 더 포함하는, 굴절률 기입 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어기는 또한 초점 스팟의 상대 속도 및 방향을 조절하기 위해 스캐너를 조절하는, 굴절률 기입 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 초점 스팟 중 적어도 하나를 전파 방향으로 연장시키기 위한 빔 셰이퍼를 더 포함하는, 굴절률 기입 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 빔 셰이퍼는 구면 수차를 작용 빔 중 적어도 하나에 도입하는, 굴절률 기입 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 적어도 하나의 초점 스팟은 광학 재료를 통해 전파하도록 의도된 공칭 파장에 대해 2π 위상 변화를 지원할 수 있는 양만큼 전파 방향으로 연장되는, 굴절률 기입 시스템.
  16. 제13항에 있어서, 2개의 작용 빔의 초점 스팟은 전파 방향으로 오프셋되고, 광학 재료를 통해 전파하도록 의도된 공칭 파장에 대해 2π 위상 변화를 지원할 수 있는 양만큼 전파 방향으로 집합적으로 연장되는, 굴절률 기입 시스템.
  17. 광학 재료의 비선형 흡수 임계값 초과 및 상당한 광 산란 또는 흡수가 의도된 성능을 저하시키는 광학 재료의 브레이크다운 임계값 미만의 에너지 체제 내에서 광학 재료에 국소화된 굴절률 변화를 기입하는 방법이며,
    0.01 nJ 내지 10 nJ의 펄스 에너지, 8 fs 내지 500 fs의 펄스 지속 시간, 및 10 MHz 내지 500 MHz의 반복률을 갖는 일련의 펄스로 구성되는 시준된 출력 빔을 생성하는 단계;
    상기 시준된 출력 빔을 출력 빔의 펄스 에너지의 미리 결정된 부분을 공유하는 펄스로 구성된 적어도 2개의 작용 빔으로 분할하는 단계;
    작용 빔을, 대물 렌즈를 사용하여, 광학 재료 내의 상이한 초점 스팟에 집합적으로 포커싱하는 단계로서:
    상이한 초점 스팟이 주어진 평면에서 제1 공간 오프셋으로 포커싱되는 것, 및
    상이한 초점 스팟이 대물 렌즈로부터 상이한 거리에 있는 상이한 평면에서 제2 공간 오프셋으로 포커싱되는 것
    중 적어도 하나가 행해지는, 단계; 및
    상이한 초점 스팟이 광학 재료에서 원하는 굴절률 프로파일을 달성하기 위해 광학 재료의 굴절률의 변화에 의해 정의되는 일련의 트레이스를 기입하는 상대 속도 및 상대 방향으로 대물 렌즈를 광학 재료에 대해 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 작용 빔 사이의 각도 오프셋 및 작용 빔 사이의 빔 반경의 점진적인 변화 중 적어도 하나를 조절하는 추가 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 작용 빔 사이의 각도 오프셋은 주어진 평면에서 상이한 초점 스팟 사이의 제1 공간 오프셋으로 변환되는, 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 작용 빔 사이의 빔 반경의 점진적인 변화는 대물 렌즈로부터 상이한 거리에 있는 상이한 평면에서 상이한 초점 스팟 사이의 제2 공간 오프셋으로 변환되는, 방법.
  21. 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상대적으로 이동시키는 단계는 트레이스 중 하나 이상을 기입하기 위해 공간적으로 오프셋된 초점 스팟을 연결하는 선에 대해 수직으로부터 출발하는 방향으로 상기 대물 렌즈를 광학 재료에 대해 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상대적으로 이동시키는 단계는 공간적으로 오프셋된 초점 스팟 둘 모두가 동일한 트레이스 중 하나 이상을 기입하는 데에 기여하는 방향으로 상기 대물 렌즈를 광학 재료에 대해 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  23. 제20항에 있어서, 대물 렌즈에 가장 가까운 초점 스팟에 포커싱된 작용 빔의 펄스의 펄스 에너지가 대물 렌즈로부터 가장 먼 초점 스팟에 포커싱된 작용 빔의 펄스의 펄스 에너지와 상이하도록 2개의 작용 빔의 펄스 에너지를 상대적으로 조절하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  24. 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 작용 빔의 펄스 사이의 시간 오프셋을 조절하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  25. 제24항에 있어서, 작용 빔의 펄스 사이의 시간 오프셋은, 2개의 빔으로부터의 연속적인 쌍의 펄스가 각 그룹의 펄스가 보다 빠른 연속으로 전달되는 그룹으로 전달될 수 있도록, 양쪽 작용 빔의 펄스 사이의 간격의 절반에서 출발하는, 방법.
  26. 제25항에 있어서, 각 그룹 내의 펄스는 펄스 폭과 대략 동일한 양만큼 이격되는, 방법.
  27. 제17항에 있어서, 분할하는 단계는 작용 빔의 적어도 2개 각각을 출력 빔의 펄스 에너지의 미리 결정된 부분을 공유하는 펄스로 구성된 적어도 2개 이상의 작용 빔으로 추가로 분할하는 단계를 포함하고, 포커싱하는 단계는 작용 빔을 대물 렌즈를 이용하여 광학 재료 내의 상이한 초점 스팟에 집합적으로 포커싱하는 단계를 포함하고, 여기에서 상이한 초점 스팟의 적어도 2개가 주어진 평면에서 제1 공간 오프셋으로 포커싱되고 상이한 초점 스팟의 적어도 2개 이상이 대물 렌즈로부터 상이한 거리에 있는 상이한 평면에서 제2 공간 오프셋으로 포커싱되는, 방법.
  28. 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 초점 스팟 중 적어도 하나를 전파 방향으로 연장시키도록 작용 빔 중 적어도 하나를 형상 변경하는 추가 단계를 포함하는, 방법.
  29. 제28항에 있어서, 형상 변경하는 단계는 구면 수차를 작용 빔 중 적어도 하나에 도입하는 단계를 포함하는, 방법.
  30. 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 트레이스 중 하나 이상은 광학 재료를 통해 전파하도록 의도된 공칭 파장에 대해 2π 위상 변화를 지원할 수 있는 두께를 갖는, 방법.
  31. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상이한 초점 스팟은 대물 렌즈로부터 상이한 거리에 있는 상이한 평면에서 제2 공간 오프셋으로 포커싱되고, 상대적으로 이동시키는 단계는 대물 렌즈로부터 상이한 거리에 트레이스 쌍을 기입하며, 트레이스 쌍은 광학 재료를 통해 전파하도록 의도된 공칭 파장에 대해 2π 위상 변화를 지원할 수 있는 결합된 두께를 갖는, 방법.
KR1020197031590A 2017-03-31 2018-03-08 광학 재료에 굴절률 변화를 기입하기 위한 빔 멀티플렉서 KR102499252B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762479826P 2017-03-31 2017-03-31
US62/479,826 2017-03-31
PCT/US2018/021601 WO2018182946A1 (en) 2017-03-31 2018-03-08 Beam multiplexer for writing refractive index changes in optical materials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190137110A true KR20190137110A (ko) 2019-12-10
KR102499252B1 KR102499252B1 (ko) 2023-02-13

Family

ID=61768506

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197031590A KR102499252B1 (ko) 2017-03-31 2018-03-08 광학 재료에 굴절률 변화를 기입하기 위한 빔 멀티플렉서

Country Status (6)

Country Link
US (2) US20200054485A1 (ko)
EP (1) EP3585332B1 (ko)
KR (1) KR102499252B1 (ko)
CN (1) CN110573119B (ko)
CA (1) CA3056866A1 (ko)
WO (1) WO2018182946A1 (ko)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9023257B2 (en) 2012-11-14 2015-05-05 Perfect Ip, Llc Hydrophilicity alteration system and method
CN113196180A (zh) * 2018-12-20 2021-07-30 Asml控股股份有限公司 同时获取平行对准标记的设备和方法
US11693257B2 (en) 2019-07-19 2023-07-04 Clerio Vision, Inc. Myopia progression treatment
WO2021255579A1 (en) * 2020-06-16 2021-12-23 Alcon Inc. Ophthalmic laser systems with z-direction multi-focal optics
CN116134371A (zh) 2020-07-08 2023-05-16 克莱里奥视觉股份有限公司 用于老花眼校正的优化的多焦点波前
CN112570897B (zh) * 2020-11-17 2023-03-24 华东师范大学重庆研究院 飞秒脉冲簇产生方法及石英微流控芯片制造装置
DE102021108505A1 (de) 2021-02-02 2022-08-04 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks
DE102021108509A1 (de) 2021-02-02 2022-08-04 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks
DE102021106407A1 (de) * 2021-03-16 2022-09-22 Carl Zeiss Meditec Ag Strahlteilungsvorrichtung, ophthalmologisches Lasertherapiesystem, Verfahren zum Scannen eines Patientenauges und Verfahren zum Aufteilen
DE102021121469A1 (de) 2021-08-18 2023-02-23 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks
DE102022204688B3 (de) 2022-05-13 2023-09-07 Carl Zeiss Smt Gmbh Vorrichtung zum Fokussieren eines Photonenstrahls in ein Material, entsprechendes Verfahren und Computerprogramm
WO2023244662A1 (en) 2022-06-14 2023-12-21 University Of Rochester Spatio-temporal-angular beam multiplexer for writing refractive index changes in optical materials
CN117462243B (zh) * 2023-12-27 2024-03-22 中日友好医院(中日友好临床医学研究所) 一种激光消融探头

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100120297A (ko) * 2008-03-07 2010-11-15 아이엠알에이 아메리카, 인코포레이티드. 초단파 펄스 레이저에 의한 투명 재료 프로세싱
JP2013081821A (ja) * 2005-01-10 2013-05-09 Optimedica Corp 眼組織治療用眼科手術システム
KR20130105276A (ko) * 2012-03-15 2013-09-25 미쓰보시 다이야몬도 고교 가부시키가이샤 피가공물의 가공 방법 및 분할 방법

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006068762A (ja) * 2004-08-31 2006-03-16 Univ Of Tokushima レーザー加工方法およびレーザー加工装置
DE102006042280A1 (de) * 2005-09-08 2007-06-06 IMRA America, Inc., Ann Arbor Bearbeitung von transparentem Material mit einem Ultrakurzpuls-Laser
US7789910B2 (en) 2006-06-28 2010-09-07 Bausch & Lomb Incorporated Optical material and method for modifying the refractive index
US8486055B2 (en) 2007-06-26 2013-07-16 Bausch & Lomb Incorporated Method for modifying the refractive index of ocular tissues
US8617147B2 (en) 2007-06-26 2013-12-31 University Of Rochester Method for modifying the refractive index of ocular tissues
WO2009070438A1 (en) 2007-11-30 2009-06-04 Bausch & Lomb Incorporated Optical material and method for modifying the refractive index
US9060847B2 (en) 2008-05-19 2015-06-23 University Of Rochester Optical hydrogel material with photosensitizer and method for modifying the refractive index
MX2012001325A (es) * 2009-07-29 2012-08-15 Alcon Lensx Inc Sistema optico para laser quirurgico oftalmico.
WO2012135579A2 (en) * 2011-04-01 2012-10-04 Lensar, Inc. System and method for laser generated corneal and crystalline lens incisions using a variable f/# optical system with aspheric contact interface to the cornea or rotating and adaptive optics
US9144491B2 (en) 2011-06-02 2015-09-29 University Of Rochester Method for modifying the refractive index of an optical material
US9023257B2 (en) * 2012-11-14 2015-05-05 Perfect Ip, Llc Hydrophilicity alteration system and method
US10399292B2 (en) 2013-07-08 2019-09-03 University Of Rochester High numerical aperture optomechanical scanner for layered gradient index microlenses, methods, and applications

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013081821A (ja) * 2005-01-10 2013-05-09 Optimedica Corp 眼組織治療用眼科手術システム
KR20100120297A (ko) * 2008-03-07 2010-11-15 아이엠알에이 아메리카, 인코포레이티드. 초단파 펄스 레이저에 의한 투명 재료 프로세싱
KR20130105276A (ko) * 2012-03-15 2013-09-25 미쓰보시 다이야몬도 고교 가부시키가이샤 피가공물의 가공 방법 및 분할 방법

Also Published As

Publication number Publication date
US20230038030A1 (en) 2023-02-09
KR102499252B1 (ko) 2023-02-13
CN110573119B (zh) 2022-09-02
CA3056866A1 (en) 2018-10-04
EP3585332A1 (en) 2020-01-01
US20200054485A1 (en) 2020-02-20
CN110573119A (zh) 2019-12-13
EP3585332B1 (en) 2023-07-19
WO2018182946A1 (en) 2018-10-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102499252B1 (ko) 광학 재료에 굴절률 변화를 기입하기 위한 빔 멀티플렉서
US10182943B2 (en) Adjustable pupil system for surgical laser systems
EP2373454B1 (en) Systems and method for laser photoaltering a material using multi-beam scanning
US10195082B2 (en) Machining device and method
TW201541770A (zh) 具有可變重複率之高功率飛秒雷射
US10191268B2 (en) Method for analyzing a sample with a non-linear microscopy technique and non-linear microscope associated
US11845143B2 (en) Optical design for a two-degree-of-freedom scanning system with a curved sample plane
JP7455848B2 (ja) レーザビームの焦点の位置の較正
US20220402227A1 (en) Material and biological response of femtosecond photo-modification in hydrogel and cornea
US20160274440A1 (en) Adjustable speed fast laser scanning system and two-photon microscope associated
KR101684426B1 (ko) 초단 펄스 광의 빔을 스캐닝하기 위한 시스템 및 방법
WO2023244662A1 (en) Spatio-temporal-angular beam multiplexer for writing refractive index changes in optical materials
US11738205B2 (en) Laser treatment apparatus
US20230347171A1 (en) Laser treatment apparatus
WO2013134643A1 (en) Adjustable pupil system for surgical laser systems
AU2015201408A1 (en) System and method for laser photoaltering a material using multi-beam scanning

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant