(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス・レーザ・ビームを用いて物質を機械加工する物質機械加工装置であって、
前記パルス・レーザ・ビームを供給するレーザと、
前記パルス・レーザ・ビームの測定基本波パワーを表す測定パワー値、およびさらに周波数逓倍化によって前記パルス・レーザ・ビームから生成された少なくとも１つの高調波の測定パワーの測定パワー値を取得するための測定機構であって、前記高調波を生成するために、光学的非線形媒体と、前記パルス・レーザ・ビームから分離された部分ビームを前記光学的非線形媒体上に集束するために前記光学的非線形媒体の上流に接続された集束ユニットとを備える測定機構と、
前記測定機構に接続された評価ユニットであって、前記測定基本波パワー、前記高調波の前記測定パワー、および前記レーザの設定放射パワーに依拠して前記パルス・レーザ・ビームの品質を検査するように設定された評価ユニットと
を備えることを特徴とする物質機械加工装置。
【請求項２】
パルス・レーザ・ビームを用いて物質を機械加工する物質機械加工装置であって、
前記パルス・レーザ・ビームを供給するレーザと、
前記パルス・レーザ・ビームの測定基本波パワーを表す測定パワー値、およびさらに周波数逓倍化によって前記パルス・レーザ・ビームから生成された少なくとも１つの高調波の測定パワーの測定パワー値を取得するための測定機構であって、前記高調波を生成するために、光学的非線形媒体と、前記パルス・レーザ・ビームから分離された部分ビームを前記光学的非線形媒体上に集束するために前記光学的非線形媒体の上流に接続された集束ユニットとを備える測定機構と、
前記測定機構に接続された評価ユニットであって、前記測定パワー値または／および前記測定パワー値の少なくとも１つから導出された値の少なくとも１つを少なくとも１つの基準値と比較し、前記測定パワー値または前記導出値の前記基準値からのずれの程度に応じて、視覚または／および聴覚メッセージ、あるいは／ならびに前記パルス・レーザ・ビームを停止または使用可能にするように設定された評価ユニットと
を備えることを特徴とする物質機械加工装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの高調波が第２高調波を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の物質機械加工装置。
【請求項４】
前記基準値が、前記レーザの前記設定放射パワーでの前記基本波パワーの最大達成可能値、前記高調波の前記パワー、前記周波数逓倍化の変換効率を表すことを特徴とする、請求項２に記載の物質機械加工装置。
【請求項５】
前記評価ユニットが、予め保存された基準情報から前記基準値を取得するように設定されており、前記基準情報が、前記レーザの複数の異なる設定放射パワーに対応付けられ、前記基本波パワーまたは／および前記高調波の前記パワーあるいは／ならびに前記周波数逓倍化の変換効率の基準値を表すことを特徴とする、請求項２または４に記載の物質機械加工装置。
【請求項６】
前記評価ユニットが、前記高調波の前記測定パワーと前記測定基本波パワーとからの比率を確定し、または／かつ、前記高調波の前記測定パワーと前記高調波の前記パワーの基準値とからの比率を確定し、前記確定された比率に依拠して前記ビーム品質を検査するように設定されていることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか一項に記載の物質機械加工装置。
【請求項７】
前記評価ユニットが、前記測定値または前記導出値の前記基準値からのずれの程度に依拠して前記パルス・レーザ・ビームの出力を制御するように設定されている電子制御機構の一部分であることを特徴とする、請求項２〜６のいずれか一項に記載の物質機械加工装置。
【請求項８】
前記測定機構が、基本波パワーとして、前記パルス・レーザ・ビームから分離された部分ビームのパワーを測定するように設定されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の物質機械加工装置。
【請求項９】
前記評価ユニットが、キャリブレーションプロセスにおいて前記レーザの複数の異なる放射パワーを逐次設定し、前記レーザの設定放射パワー毎に前記基本波パワーおよび前記高調波のパワーを表す測定パワー値を確定し、前記レーザの前記設定放射パワーに関して前記測定パワー値または／およびそれらから導出された値をメモリに保存するように設定されている電子制御機構の一部分であることを特徴とする、請求項２〜８のいずれか一項に記載の物質機械加工装置。
【請求項１０】
前記パルス・レーザ・ビームのパルス持続時間がフェムト秒領域内にあることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の物質機械加工装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の物質機械加工装置を作動させる方法であって、
前記パルス・レーザ・ビームの基本波パワー、および周波数逓倍化によって前記パルス・レーザ・ビームから生成された少なくとも１つの高調波のパワーを測定し、前記高調波を生成するために、部分ビームが前記パルス・レーザ・ビームから分離され集束ユニットによって光学的非線形媒体上に集束されるステップと、
前記測定パワー値または／およびそれらから導出された値の少なくとも１つを少なくとも１つの基準値と比較するステップと、
前記測定値または前記導出値の前記基準値からのずれの程度に依拠して、視覚または／および聴覚メッセージ、あるいは／ならびに前記パルス・レーザ・ビームを停止または使用可能にするステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記基本波パワーおよび前記高調波の前記パワーを表す測定パワー値を、前記パルス・レーザ・ビームを供給するレーザの複数の設定放射パワー毎に取得し、前記取得測定パワー値または／およびそれらから導出された値を、前記レーザの前記複数の設定放射パワーに関してメモリに保存するキャリブレーションプロセスを予め実行することをさらに含み、前記基準値が、前記メモリに保存された前記測定パワー値または／および導出値から得られることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記パルス・レーザ・ビームによる物質の機械加工中に、測定および比較する前記ステップを繰返し実行することを特徴とする、請求項１１または１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質をパルス・レーザ・ビームによって機械加工する装置に関する。本発明は、さらに、そのような物質機械加工装置を作動させるプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
原則として、本発明は、任意の物質を機械加工する働きをするレーザ・システムの分野に適用可能である。したがって、機械加工する物質は無生物体でもよいが、生物体、たとえば人間の眼の組織を対象にしてもよい。
【０００３】
物質、特に可視スペクトル領域で透明である物質の機械加工に関して、いわゆるフェムト秒レーザ・システムが、重要さを増している。これについては、フェムト秒領域内のパルス持続時間を有するパルス集束レーザ・ビームを発生するレーザ・システムが対象である。そのようなフェムト秒レーザ・システムは、たとえば、人間の眼の角膜組織または他の組織領域に切開を行うために通常用いられるレーザ眼科手術に用途が見出される。フェムト秒レーザ・システムの有利な面は、それ自体任意である３次元の切開形状を生成することにそれが適していることである。
【０００４】
下記に、集束フェムト秒レーザ放射を用いて透明な物質を機械加工することに関する基本的初歩的プロセスを簡単に説明する。物質中へのレーザ・ビームの強い集束性、および放射光に対する物質の透過性によって、レーザ・パワーを、焦点の上方の放射透過物質（たとえば角膜組織）を損傷することなく、内部に結び付けることができる。焦点で生じるプロセスは光切断と呼ばれる。焦点では、高強度の放射光によって、マイクロプラズマ発生の閾値を超える。蒸発が、たとえば直径が約１μｍの極めて小さい物質の領域から発生する。その結果として、たとえば約５〜１２μｍの幾分大きくなった直径を有する微小な泡が生じ、その泡が周りの物質を切断し、その後完全に周囲に拡散する。レーザ・パルスごとの作用の持続時間が極めて短いことによって、周りの物質への熱の伝導が生じる余地がなく、熱と同様にすべての有効なエネルギーもまたプラズマの消滅後に消散する。
【０００５】
従来のフェムト秒レーザ・システムでは、焦点をスキャナによって横方向およびまた縦方向にも制御することができる。ここで「横方向」は、ビーム伝播方向に直交する平面内の方向を意味する。他方「縦方向」は、レーザ・ビームの伝播方向に沿う方向を意味する。プラズマ放出によって生じた十分な数（たとえば数千）の空洞が所望の形状で３次元的に互いに接して配置されると、物質中に所望の切開が生じる。
【０００６】
上記のプロセスは、所望の精度を有する切開を行うために、高いピーク強度による極めて正確な焦点を必要とする。しかし、集束性およびピーク強度は微妙なパラメータであり、レーザ・ビームの伝播経路中の比較的僅かな擾乱でさえもレーザ・ビームの空間および時間的品質、したがってその集束性およびピーク強度を劣化させることがある。したがって、物質の機械加工に際し、レーザ・ビームの時間および空間的品質を絶えず（連続的、または少なくとも繰返し時間間隔で）監視することが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、物質の機械加工を行うレーザ・システムのレーザ放射の放射品質を監視することができるようにするために解決の道筋を特定することである。そのような監視は、放射品質が劣化した場合に、機械加工プロセスを中断し、または他の方法で対応することを可能にすることを意図している。特に、監視は、リアル・タイムに、すなわち物質の機械加工中に可能であるべきである。この場合、放射品質は、特に、集束性、ならびにパルス包絡面（個々のレーザ・パルスの時間的包絡面）の時間的進行、すなわちパルス持続時間の短さに関係する。集束性は、レーザ放射のビーム・プロフィールおよび波面の品質によって、決定的に左右される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的を達成するために、本発明の一態様による物質機械加工装置は、パルス・レーザ・ビームを用いて物質を機械加工する物質機械加工装置であって、パルス・レーザ・ビームを供給するレーザと、前記レーザ・ビームの測定基本波パワーを表す測定パワー値、およびさらに周波数逓倍化によって前記レーザ・ビームから生成された少なくとも１つの高調波の測定パワーの測定パワー値を取得するための測定機構であって、前記高調波を生成するために、光学的非線形媒体と、前記レーザ・ビームから分離された部分ビームを前記光学的非線形媒体上に集束するために前記光学的非線形媒体の上流に接続された集束ユニットとを備える測定機構と、前記測定機構に接続された評価ユニットであって、前記測定基本波パワー、前記高調波の前記測定パワー、および前記レーザの設定放射パワーに依拠して前記レーザ・ビームの品質を検査するように設定された評価ユニットと、を備える。
【０００９】
パルス・レーザ放射（特にフェムト秒パルスによる）の時間的または／および空間的放射品質を明らかにし、またはこの品質の変化を明らかにするために、本発明は、プロセスの検査の仕方を教示し、そのプロセスの効率は、用いられ集束されるレーザ放射の強度に依存する。周波数２倍化のような非線形周波数混合プロセスは、その種プロセスの例である。この場合、適切な構成では、レーザ放射光の（小さな）一部分が、光学的非線形結晶内に集束され、２倍周波数の放射光に変換される。レーザの赤外線波長のレーザ放射光が用いられた場合、結晶内に集束された放射光の一部分は、たとえば、緑色光に変換される。周波数２倍化は、入射パワーの２乗に依存し、このプロセスの効率は、結晶内に加えられたパワー密度（空間的および時間的）に依存し、したがって、レーザ放射光の集束性およびパルス持続時間に依存する。したがって、影響する他のパラメータを除外することができる限り、２倍周波数光のパワーの変化を集束性または／およびパルス持続時間の変化に帰することができる。そのような変化は、たとえば、レーザ放射光の波面の劣化またはパルス持続時間の延伸によって生じ得る。
【００１０】
一般に、集束の品質（すなわち集束性）に絶えず影響し得るすべてのそれらパラメータ全体を同時に監視することはコストが掛かり、また困難であることが本発明では分かっている。それとは対照的に、本発明による方法は、いわば、リアル・タイム、すなわちオンラインの一括品質制御を可能にする。焦点の形成に影響するそれらパラメータのいずれか１つが劣化すると直ぐに、高調波の測定信号を介してそれを検出することができ、適切な対応を取ることができる。物質機械加工装置の作動に関し、どの具体的パラメータが、検出されたレーザ・パルス集束性の劣化の原因であるかは無関係であると見なすことができる。集束性が損なわれる場合、ある所定の限度を超えたら可能な限り速やかに機械加工を止めることが望ましい。焦点の効果的形成に関し、レーザ放射光の集束性を劣化させ得る各個々のレーザ・パラメータを個別に監視することは、著しく多大な手間を必要とする。また、それらパラメータの１つだけの劣化に対して即座に確実な対応を実現することは決定的に困難である。対照的に、本発明によってもたらされる、集束性に関係するすべてのレーザ・パラメータを一括オンライン監視できる能力は、手間をかなり軽くするので、著しい利点を生じる。
【００１１】
原則として、より高次の非線形プロセスもまた本発明の範囲内で用いることができ、本発明の中心思想は決して周波数２倍化に限定されない。しかし、より高次のプロセスでは、通例、より高強度の放射光を必要とし、それによって、本発明による解決策の複雑性が増し得る。
【００１２】
光学的周波数２倍化は、３波混合の特別なケースであり、高い場強度に関し、角周波数ω１およびω２を有する２つの基本波から、角周波数ω３＝ω１±ω２を有する第３の波が生じる（ω＝２πｆ）。この場合、ω３＝ω１＋ω２は和周波混合に対応し、ω３＝ω１−ω２は差周波混合に対応する。ここで、周波数２倍化の特別な場合にω１＝ω２であれば、単に和周波数ω３＝２ω１＝２ω２が生じる。
【００１３】
本発明の実際の構成では、レーザ放射の一部分が光学的非線形媒体（たとえば結晶）内に通される。通されたレーザ放射の一部分は、好ましくは、非線形媒体内に集束される。焦点での高強度の結果、非線形媒体内の電荷キャリアの振動が励起され、その振動が、放射基本振動（基本波）とは異なる次数の高調波も含む。この場合、第２高調波が、基本波の２倍の周波数および半分の波長を有する２倍周波数波を構成する。非線形媒体への入射放射光の方向を適切に選択することにより、またはビーム伝播の方向に対して非線形媒体を適切に配向することによって、第２高調波の生成を他の周波数より優先させることができる。このプロセスの詳細な理論的説明に関しては、適切な専門家の文献を参照し、ここでのより詳細な説明を省略することができる。
【００１４】
上記のプロセスでは、第２高調波の瞬間強度は、基本波の瞬間強度の２乗に比例する。第２高調波の信号のレベルは、この場合、基本波のピーク強度によって決定的に定められる。そのピーク強度は、パルス・エネルギー、焦点での基本波のスポット・サイズ（ウエスト半径の２乗）、およびさらに基本波放射のパルス持続時間に依存する。第２高調波の時間的平均パワーと基本波放射の時間的平均パワーとの比率として定義される周波数２倍化の効率（変換効率）は、基本波パワー、したがって基本波放射のピーク強度に同様に比例するので、変換効率に関し、焦点での基本波放射のスポット・サイズおよびそのパルス持続時間への依存性もまた保持される。基本波放射の一定のパルス・エネルギーを前提として、変換効率の変化は、時間的または／および空間的ビーム品質（パルス包絡面、ビーム・プロフィールなど）の変化、あるいは／ならびに波面の形状の変化、したがって集束性の変化を推測させる。
【００１５】
本発明の好ましい構成では、光学的非線形媒体として使用される結晶の長さは、結晶内に集束される基本波放射のレイリー長さより著しく長い。その場合、基本波放射の発散が僅かに変化（２倍化結晶内の焦点面の僅かなずれ）しても、第２高調波の強度信号に殆ど影響を及ぼさない。
【００１６】
さらに、結晶内に通されたパワーの方向および空間分布への位相整合の依存度を小さくするために、基本波放射が、優先的に、比較的短い焦点距離で結晶内に集束される。通された基本波放射を集束させることによって、基本波放射または基本波放射の中波長の入射放射の方向が僅かに変化した場合でも、位相整合が得られる適切な放射成分を常に存在させることができる。したがって、第２高調波について少なくともほぼ同一の強度信号を得ることができる入射放射の方向に関し、比較的大きい角度範囲を得ることができる。したがって、レーザ源がその仕様の範囲内で作動している限り、レーザ源は測定プロセスに影響しないか、少なくとも僅かにしか影響しない。
【００１７】
他方、たとえば基本波放射の波面の乱れの結果として、パルス持続時間または／および集束性が変化した場合、その影響は補正されず、それが、変換効率に直接影響する。基本波放射のビーム経路内に汚染円盤を挿入することによって、たとえば、波面の乱れをシミュレートすることができ、その場合、ある種の状況下で、基本波パワーは大部分または完全に保存される。小さい平坦な波面がより認められるようになるので、良好な集束はもはや達成することができず、そのため、周波数２倍化は大幅に減退し、または停止さえされる。第２高調波のパワーの変化は、したがって、基本波放射の波面の変化に関連する。したがって、レーザ・システムでの波面の乱れは、第２高調波（または別の高調波）のパワーを監視し、このパワーを基準パワーと比較することによって検出することができ、その基準パワーは、所与の基本波パワーを用いて最も良好に達成することができる第２高調波のパワーを選択的に表す。このようにして、パワーの実質的な損失を伴わない基本波放射のビーム品質の劣化を、極めて鋭敏かつ即時、すなわちリアル・タイムに検出することができ、それに応じて迅速に、より大きなパワーの減少が検出される前に、対応を取ることができる。
【００１８】
レーザ・システムによって生成される機械加工レーザ・ビームのビーム品質を、リアル・タイムに監視するために行う例示的方策は、最初に実施されるキャリブレーション作業であることができ、そこでは、レーザが、その可能なパワー範囲内で様々な（公称）放射パワーに設定され、各設定放射パワーで、基本波パワーおよびさらに第２（または別の高次の）高調波のパワーが測定される。この場合のキャリブレーション作業は、レーザ・システムが無干渉状態で、基本波放射の集束性が最高の状態で実施されるべきである。このようにして、基本波パワーおよびさらにより高調波のパワーの測定値が、最大または最適の値を表すことを保証することができる。これら最大値は、所与のケースに設定されている放射パワーでの基本波および高調波の達成可能な最大パワーを表す。
【００１９】
比率（第２高調波のパワーを基本波パワーで割ったもの）を求めることによって、さらに、レーザの各設定放射パワーに対応付けた変換効率の値を確定することができる。
【００２０】
キャリブレーション作業の範囲内で取得したデータは、たとえば、表形式でメモリに保存することができる。
【００２１】
その後の物質の機械加工中に、再び、基本波パワーおよびさらに高調波のパワーが、連続的にまたは時間間隔を置いて測定される。次いで、別々の２つの照合ステップを実行することができる。第１の照合ステップでは、測定基本波パワーを、基準値と比較することができる。この基準値は、メモリに保存されている、キャリブレーション作業の範囲内で取得されたデータによって確定される。それは、レーザの設定放射パワーでの基本波パワーの最適値を表す。測定基本波パワーが基準値から実質的にずれていず、または測定基本波パワーが基準値に対して所定の許容限度内にある場合、それは、レーザ・ビームのパワーを著しく損ない得る不具合が少なくとも存在しないことを意味する。しかし、所定の許容限度より大きなずれが存在する場合、それは、たとえば警告表示の出力または／およびレーザの停止を含み得る所定の警告対応または緊急対応を開始する根拠と捉えてよい。
【００２２】
第２の照合ステップでは、さらに、高調波の測定パワーを基準値と比較することができ、または／かつ変換効率（高調波の測定パワーと測定基本波パワーとの比率）を基準値と比較することができる。高調波のパワーおよび変換効率の基準値は、やはり、保存キャリブレーションデータによって確定され、それら基準値は、レーザの公称設定放射パワー、すなわちレーザの作動点での高調波のパワーおよび変換効率それぞれの望ましい値（最適値）を規定する。比較が、所定の限度を超えるずれを示した場合、前述の通り、警告対応または緊急対応を開始することができる。他方、第１および第２の照合ステップ共に（それらは、当然、この順序で実施する必要はない）許容できないずれを示さない場合、レーザ・ビームの出力を許容することができ、物質機械加工装置の作動は妨げられずに続けることができる。
【００２３】
第２の照合ステップでは、特に、レーザ・ビームのパワーを減衰させない、または僅かにしかパワーを減衰させないが、著しい波面の乱れを生じさせる不具合を検出することが可能である。有害な波面擾乱の場合、第２の高調波の最大パワーに対する測定パワーの比率が数パーセント（たとえば１５パーセント未満）までたやすく低下することができ、それは、第２高調波のパワーが、レーザ・ビームのビーム品質の良好な指標であることを示す。
【００２４】
本発明による物質機械加工装置の好ましい別の開発によれば、少なくとも１つの高調波が第２高調波を含むことができ、レーザ・ビームのパルス持続時間は、優先的にフェムト秒領域内にある。
【００２５】
評価ユニットは、測定パワー値または／およびそれらから導出された値（たとえば変換効率）の少なくとも１つを少なくとも１つの基準値と比較し、測定値または導出値の基準値からのずれの程度に応じて、所定の対応を取るように設定されていてもよい。この場合、基準値は、レーザの設定放射パワーでの基本波パワーの最大達成可能値、高調波のパワー、周波数逓倍化の変換効率を表し得る。
【００２６】
評価ユニットは、予め保存された情報から基準値を取得するようにさらに設定されていてもよく、その情報は、レーザの複数の異なる設定放射パワーに対応付けられ、基本波パワーまたは／および高調波のパワーあるいは／ならびに周波数逓倍化の変換効率の基準値を表す。その代わりにまたはそれに加えて、評価ユニットは、高調波の測定パワーと測定基本波パワーとからの比率を確定し、または／かつ、高調波の測定パワーと高調波のパワーの基準値とからの比率を確定し、確定された比率に依拠してビーム品質を検査するように設定されていてもよい。
【００２７】
さらに、評価ユニットは、測定値または導出値の基準値からのずれの程度に依拠してレーザ・ビームの出力を制御するように設定されている電子制御機構の一部分であり得る。たとえば、その電子制御機構は、確認されたずれが所定の限度内にあれば、レーザ・ビームの出力を許容することができ、または／かつ、確認されたずれが上記限度を外れていれば、レーザ・ビームの出力を妨げることができる。
【００２８】
高調波を生成するために、測定機構は、光学的非線形媒体と、さらに、レーザ・ビームから分離された部分ビームを非線形媒体上に集束するためにその媒体の上流に接続された集束ユニットとを備え得る。その測定機構はさらに、基本波パワーとして、レーザ・ビームから分離された部分ビームのパワーを測定するように設定されていてもよい。
【００２９】
評価ユニットは、キャリブレーションプロセスにおいてレーザの複数の異なる放射パワーを逐次設定し、レーザの各設定放射パワーに対応付けて基本波パワーおよび高調波のパワーの測定値を確定し、レーザの様々な放射パワーに対応付けて確定測定値または／およびそれらから導出された値をメモリに保存するように設定されている電子制御機構の一部分であり得る。
【００３０】
さらに別の態様によれば、本発明は、パルス・レーザ・ビームによって機能する物質機械加工装置、特に前記請求項のいずれか一項に記載の物質機械加工装置を作動させる方法であって、
−  レーザ・ビームの基本波パワー、および周波数逓倍化によってレーザ・ビームから生成された少なくとも１つの高調波のパワーを測定するステップと、
−  測定パワー値または／およびそれらから導出された値の少なくとも１つを少なくとも１つの基準値と比較するステップと、
−  測定値または導出値の基準値からのずれの程度に応じて、所定の対応を取るステップと
を含む方法を提供する。
【００３１】
方法は、基本波パワーおよび高調波のパワーの測定値を、レーザ・ビームを供給するレーザの複数の異なる設定放射パワーについて取得し、取得測定値または／およびそれらから導出された値を、レーザの様々な放射パワーに対応付けてメモリに保存するキャリブレーションプロセスを予め実行することをさらに含むことができ、基準値は、メモリに保存された測定値または／および導出値から得られる。
【００３２】
所定の対応は、視覚もしくは／および聴覚メッセージ、または／ならびレーザ・ビームを使用可能にし、もしくは停止することを含む。さらに、レーザ・ビームによる物質の機械加工中に、測定および比較するステップを繰返し、特に一定の時間間隔で実行することができる。このように、いわば、リアル・タイムのオンライン監視が可能であり、監視頻度は、測定を実施する時間間隔に応じる。これに関し、本発明によって予め定められるような限界はなく、すなわち、測定は、測定装置および使用可能な計算能力が許す頻度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】物質をレーザ機械加工するための物質機械加工装置の例示的実施形態を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明が、添付の１枚だけの図面に基づいてより詳細に以下に説明される。その図１は、物質をレーザ機械加工するための物質機械加工装置の例示的実施形態を概略的に示す。全体を１０で示されている物質機械加工装置は、図示の例示的事例では、人間の眼１２のレーザ手術の機械加工用として、たとえば人間の眼の角膜内組織の切開を行うために働く。その装置は、フェムト秒領域内のパルス持続時間を有するパルス・レーザ・ビーム(以下、単にレーザ・ビーム)１６を発生するレーザ源１４を備える。レーザ源１４は、たとえばファイバ・レーザを備える。さらに、物質機械加工装置１０は、機械加工する対象物、この場合は眼１２にレーザ・ビーム１６を集束させる集束光学機構１８を備える。集束光学機構１８は、たとえば、ｆθ対物レンズによって構成される。集束光学機構１８の上流には、レーザ・ビーム１６の焦点位置の横方向および縦方向制御の機能を果たすスキャナ２０が接続されている。横方向偏向のために、スキャナ２０は、たとえば、ガルバノメータ式に制御されるミラー対、または電気的に制御される偏向結晶を備え得る。縦方向焦点制御のために、たとえば、スキャナ２０は、レーザ・ビーム１６の発散に影響を及ぼす光学要素、たとえば、ビーム伝播方向内で縦方向に変位可能なレンズもしくは可変屈折力の液体レンズまたは変形可能なミラーを備え得る。レーザ・ビーム１６の横方向焦点制御を担うスキャナ２０の構成要素、および縦方向焦点制御を担う構成要素は、レーザ・ビーム１６の伝播方向に沿って異なる位置に配置することができることが理解されよう。したがって、スキャナ２０は、密に纏まったユニットである必要はなく、様々なスキャン構成要素を分散して配置するという課題であり得る。
【００３５】
レーザ源(以下、単にレーザ)１４およびスキャナ２０を制御するために、メモリ２４に保存された制御プログラムに従って作動するマイクロプロセッサ利用の制御ユニット２２が設けられている。制御プログラムは、生成する切開形状を定義する適切な制御パラメータ（たとえば、レーザ・パルスの個々の照射位置に関する座標系式で）を含む。
【００３６】
レーザ・ビーム１６によって微細、精密な切開を生成するために、高い空間的、時間的ビーム品質が望ましい。レーザ・ビーム１６のビーム品質のリアル・タイム監視のために、物質機械加工装置１０は、スキャナによる横方向偏向の上流のビーム伝播方向内で、レーザ・ビーム１６から２つの部分ビーム１６’、１６’’を分離するための手段を有する。図示の例示的事例では、これら手段は、レーザ・ビーム１６のビーム経路中に連続して配置された２つの半透過分割ミラー２６、２８を備える。第１のパワー・メータ３０が、部分ビーム１６’の（時間的平均）放射パワーを測定するように働く。このために、パワー・メータ３０は、たとえば、フォトダイオードを備え、測定された放射パワーを表す信号、詳細には放射パワーに比例する信号を制御ユニット２２に送る。パワー・メータ３０によって測定されたパワーは、本発明での基本波パワーに対応する。
【００３７】
第２の部分ビーム１６’’は、集束レンズ３２によって光学的非線形結晶３４（または別の非線形媒体）に集束し、その光学的非線形結晶内で、非線形プロセスによって２倍周波数ビーム１６’’’が発生し、その２倍周波数ビームが、引き続き光バンドパス・フィルタ３６によって、起こり得るあらゆる擾乱性の副次的スペクトル線およびさらに基本波の残存部からも分離される。たとえば放射光検出用のフォトダイオードをここでも備え得る第２のパワー・メータ３８が、２倍周波数ビーム１６’’’の（時間的平均）パワーを測定するように働き、測定されたパワーを表す信号を制御ユニット２２に送る。２倍周波数ビーム１６’’’の測定パワーは、本発明での基本波から発生した（この場合は第２）高調波のパワーを表す。
【００３８】
レーザ源１４によって生成されたレーザ・ビーム１６の波長は、たとえば、１０００ｎｍ〜１１００ｎｍの赤外線領域内にある。このようにして、非線形結晶３４内での周波数２倍化によって、緑から黄緑光のビーム１６’’’が生じる。
【００３９】
制御ユニット２２は、パワー・メータ３０、３８によってもたらされる測定パワー信号から、光ビーム１６’’’の測定パワーを部分ビーム１６’の測定パワーで割ることによって、変換効率を計算する。
【００４０】
メモリ２４には、先行するキャリブレーションプロセスで制御ユニット２２によって確定されたキャリブレーションデータがさらに保存されている。キャリブレーションデータは、どの場合にも、レーザ１４の放射パワーの様々な公称値に対し、部分ビーム１６’のパワー、２倍周波数ビーム１６’’’のパワー、およびさらに変換効率に関する基準値を特定する。レーザ１４の異なる放射パワーが、異なる作動点に対応する。レーザ１４は、ある範囲内の放射パワーで作動することができ、用途に応じて、制御ユニット２２は、レーザ１４の個別の作動点を設定することができる。たとえば、様々な放射パワーは、レーザ１４の最大に設定可能な放射パワーに対するパーセンテージ数によって個々の作動点を定義するパーセンテージ値によって表される。保存されている基準値は、どの場合にも、最適状態、すなわち、レーザ・ビーム１６の有害な波面の乱れが無く（少なくとも実質的に無く）、その伝播経路に沿ってレーザ・ビーム１６の有害なパワーの減衰の無い（少なくとも実質的に無い）無欠陥作動に関する。したがって、それら基準値は、部分ビーム１６’のパワー、２倍周波数ビーム１６’’’のパワー、および変換効率の達成し得る最大の値を表す。
【００４１】
メモリ２４に保存されているキャリブレーションデータとの比較に基づいてレーザ・ビーム１６のビーム品質を検査するために、部分ビーム１６’および２倍周波数ビーム１６’’’に関するその時点のパワー測定値が、制御ユニット２２によって使用される。具体的には、制御ユニット２２は、部分ビーム１６’の測定パワーが、レーザ１４の該当する作動点での基本波パワーに関してメモリ２４に保存されている基準値に少なくともほぼ対応するか否かを調べる。このようにして、制御ユニット２２は、無欠陥の場合に比較して、レーザ・ビーム１６の有害なパワー減衰を検出することができる。
【００４２】
さらに、制御ユニット２２は、２倍周波数ビーム１６’’’の測定パワーが、レーザ１４の該当する作動点での第２高調波のパワーに関する保存キャリブレーションデータに含まれている基準値に少なくともほぼ対応するか否かを調べる。その代わりに、またはそれに加えて、制御ユニット２２は、計算された変換効率（光ビーム１６’’’の測定パワーと部分ビーム１６’の測定パワーとの比率として計算される）が、レーザ１４の該当する作動点での変換効率に関するキャリブレーションデータに含まれている基準値に少なくともほぼ対応するか否かを調べる。測定パワー値またはそれらから導かれる変換効率の、保存基準値との一致に関する点検は、たとえば、引き算または／および比率の形成を含み得る。基準値は、レーザ・ビーム１６を最適に集束させた場合に、物質機械加工装置１０の無欠陥作動において達成することができる光学値を指定するので、測定パワーまたは計算変換効率の基準値からの、起こり得るいかなるずれも、レーザ・ビーム１６の有害なパワー減衰または／および有害な波面の乱れ、あるいは／ならびにパルス持続時間の有害な延伸の指標である。確認されたずれが所定の限度を超えた場合、制御ユニット２２は、レーザ・ビーム１６の出力を中断することができる。
【００４３】
上述のキャリブレーションプロセスは、たとえば、物質機械加工装置１０が電源投入されたとき、または使用者がキャリブレーションを実施する適切な開始命令を入力したときに毎回、制御ユニット２２によって自動的に実行することができる。自動キャリブレーションプロセスの範囲内で、制御ユニット２２は、レーザ１４の様々な作動点を連続して設定することができ、それぞれ確定された、基本波パワーおよび第２高調波のパワーの測定値をメモリ２４に保存することができる。
【００４４】
第２の部分ビーム１６’’を集束するために、レンズ３２の代わりに、たとえば、回折光学要素を使用することもできる。非線形媒体３４は、たとえば、周期的分極結晶でもよい。結晶は、温度安定化してもよく、その場合、位相整合は温度を介して最適化される。さらに、専門家分野ではそれ自体既知のノンクリティカル位相整合法によって働くこともできる。
【図１】
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