(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス化合焦レーザー放射のエネルギー設定のための方法（３００、４００）であって、
材料内において不可逆性の損傷を生成するべく必要とされる閾値パルスエネルギーとパルス持続時間との間の関係を確立するステップ（３１０、４１０）であって、前記関係は、複数のパルス持続時間のそれぞれごとの閾値パルスエネルギーの取得を許容し、前記複数のパルス持続時間は、２００ｆｓ以下の範囲内の１つ又は複数のパルス持続時間を含む、ステップ（３１０、４１０）と、
前記２００ｆｓ以下の範囲内の所与のパルス持続時間について、前記確立された関係に基づいて、関連する閾値パルスエネルギーを判定するステップ（３２０、４２０）と、
前記判定された関連する閾値パルスエネルギーに基づいて、前記レーザー放射の前記パルスエネルギーを設定するステップ（３３０、４３０）と、
を有し、
前記関係は、前記２００ｆｓ以下の範囲内の減少するパルス持続時間について、減少する閾値パルスエネルギーを定義していて、
前記確立ステップ（４１０）は、
２００ｆｓ超の複数の基準パルス持続時間のそれぞれごとに、一連のレーザー放射のパルスのそれぞれごとに損傷サイトを生成するべく、前記一連のレーザー放射のパルスによって物体を照射するステップ（４１２）であって、前記パルスエネルギーは、前記一連のレーザー放射のパルスのそれぞれごとに、異なる方式で設定される、ステップ（４１２）と、
それぞれの損傷サイトのサイズを判定するステップ（４１４）と、
前記個々の基準パルス持続時間において生成された前記損傷サイトの前記判定されたサイズに基づいて、前記複数の基準パルス持続時間のそれぞれごとに基準閾値パルスエネルギーを判定するステップ（４１６）と、
前記判定された基準閾値パルスエネルギーに基づいて前記関係を判定するステップ（４１８）と、を含み、
前記物体は、非生物学的材料又は死後の生物学的材料である、
方法（３００、４００）。
【請求項２】
前記関係は、実質的に、前記パルス持続時間の立方根の関数として、前記閾値パルスエネルギーの減少を表している、請求項１に記載の方法（３００、４００）。
【請求項３】
前記関係は、３００ｆｓ以下のパルス持続時間について、最大で０．３５μＪの値として、前記閾値パルスエネルギーを定義している、請求項１又は２に記載の方法（３００、４００）。
【請求項４】
前記関係は、２００ｆｓのパルス持続時間について、０．１５μＪ〜０．３０μＪの範囲内の値として、前記閾値パルスエネルギーを定義している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法（３００、４００）。
【請求項５】
前記関係は、１０ｆｓのパルス持続時間について、０．０５μＪ〜０．１０μＪの範囲内の値として、前記閾値パルスエネルギーを定義している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法（３００、４００）。
【請求項６】
それぞれの基準閾値パルスエネルギーは、前記個々の基準パルス持続時間において生成された前記損傷サイトの前記判定されたサイズのゼロサイズへの外挿に基づいて判定される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法（４００）。
【請求項７】
前記関係を判定するステップ（４１８）は、前記パルス持続時間に依存した状態において前記閾値パルスエネルギーの線形近似を判定するステップを含む、請求項１から６の何れか一項に記載の方法（４００）。
【請求項８】
前記関係は、前記パルス持続時間と、前記閾値パルスエネルギーの代わりに、前記材料内において不可逆性の損傷を生成するべく必要とされる閾値パルスフルエンスとの間において確立され、前記関係は、２００ｆｓ以下の範囲内の減少するパルス持続時間について、減少する閾値パルスフルエンスを定義しており、且つ、関連する閾値パルスフルエンスが、前記関連する閾値パルスエネルギーの代わりに、判定され、且つ、前記レーザー放射の前記パルスフルエンスは、前記判定された関連する閾値パルスフルエンスに基づいて設定される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法（３００、４００）。
【請求項９】
前記関係は、３００ｆｓ以下のパルス持続時間について、最大で１．８０Ｊｃｍ-2の値として、前記閾値パルスフルエンスを定義している、請求項８に記載の方法（３００、４００）。
【請求項１０】
前記関係は、２００ｆｓのパルス持続時間について、０．８０Ｊｃｍ-2〜１．５０Ｊｃｍ-2の範囲内の値として、前記閾値パルスフルエンスを定義している、請求項８又は９に記載の方法（３００、４００）。
【請求項１１】
前記関係は、１０ｆｓのパルス持続時間について、０．２０Ｊｃｍ-2〜０．５０Ｊｃｍ-2の範囲の値として、前記閾値パルスフルエンスを定義している、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の方法（３００、４００）。
【請求項１２】
前記関係は、１０μｍ又は７μｍ又は５μｍ以下の前記レーザー放射の焦点直径について確立され、前記焦点直径は、前記放射の前記パルスのエネルギーの８６％を含むパルス部分の直径を表している、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法（３００、４００）。
【請求項１３】
前記損傷は、前記材料のレーザーによって誘発された光学破壊によって生成された光切断を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法（３００、４００）。
【請求項１４】
前記材料内において切込みを生成するべく、前記設定されたパルスエネルギーを有する前記レーザー放射を非生物学的材料又は生物学的材料まで導くステップ（４４０）を含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法（３００、４００）。
【請求項１５】
前記材料は、人間の眼の組織である、請求項１４に記載の方法（３００、４００）。
【請求項１６】
レーザー装置（５００）であって、
−超短パルス化レーザー放射のビームの供給源（５１０）と、
−時間及び空間において前記ビームをガイド及び成形するコンポーネントの組（５２０）と、
−材料内において不可逆性の損傷を生成するべく必要とされる閾値パルスエネルギーとパルス持続時間との間の関係を表すデータを保存する制御ユニット（５３０、５３５）であって、前記関係は、複数のパルス持続時間のそれぞれごとの閾値パルスエネルギーの取得を許容し、前記複数のパルス持続時間は、２００ｆｓ以下の範囲内の１つ又は複数のパルス持続時間を含み、前記関係は、前記２００ｆｓ以下の範囲内の減少するパルス持続時間について、減少する閾値パルスエネルギーを定義しており、前記制御ユニットは、前記２００ｆｓ以下の範囲内の所与のパルス持続時間について、前記保存されたデータに基づいて、関連する閾値パルスエネルギーを判定し、且つ、前記判定された関連する閾値パルスエネルギーに基づいて前記ビームのターゲットパルスエネルギーを判定するように、構成されている、制御ユニット（５３０、５３５）と、
を含み、
前記関係は、実質的に、前記パルス持続時間の立方根の関数として、前記閾値パルスエネルギーの減少を表している、レーザー装置（５００）。
【請求項１７】
前記制御ユニット（５３０）は、前記判定されたターゲットパルスエネルギーの視覚的表現を出力装置（５４０）上において出力するように構成されている、請求項１６に記載のレーザー装置（５００）。
【請求項１８】
前記制御ユニット（５３０）は、前記ビームの前記判定されたターゲットパルスエネルギーを自動的に設定するように構成されている、請求項１６又は１７に記載のレーザー装置（５００）。
【請求項１９】
前記関係は、３００ｆｓ以下のパルス持続時間について、最大で０．３５μＪの値として、前記閾値パルスエネルギーを定義している、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載のレーザー装置（５００）。
【請求項２０】
前記関係は、２００ｆｓのパルス持続時間について、０．１５μＪ〜０．３０μＪの範囲内の値として、前記閾値パルスエネルギーを定義している、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載のレーザー装置（５００）。
【請求項２１】
前記関係は、１０ｆｓのパルス持続時間について、０．０５μＪ〜０．１μＪの範囲内の値として、前記閾値パルスエネルギーを定義している、請求項１６〜２０のいずれか１項に記載のレーザー装置（５００）。
【請求項２２】
前記ビームは、１．１５又は１．１以下のＭ2パラメータを有するガウスビームである、請求項１６〜２１のいずれか１項に記載のレーザー装置（５００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザーパルスパラメータの設定に関する。本発明は、更に詳しくは、エネルギーに関係したレーザーパルスパラメータを設定する技法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特に産業及び医療の環境においては、パルス化合焦レーザー放射は、材料加工のための重要な手段となっている。パルス化レーザー放射の通常の用途においては、吸収されたレーザー放射の電磁的及び／又は熱的効果は、ターゲット内に切込みを生成するか又はターゲットから物質を除去するべく、その放射された領域内のターゲット材料を局所的に変更又は破壊するように使用されている。入射放射を合焦することより、放射の局所的強度の増大と、ターゲット材料との間における相互作用ゾーンの空間的に相対的に近接した閉じ込めと、が可能となる。更には、連続放射の代わりにパルス化放射を使用することにより、処理されている物体内における熱蓄積の影響が低減される。
【０００３】
例えば、限定を伴うことなしに、ＬＡＳＩＫ（Ｌａｓｅｒ  ｉｎ−ｓｉｔｕ  Ｋｅｒａｔｏｍｉｌｅｕｓｉｓ）、角膜形成術、リレックス（ＲｅＬＥｘ：ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｌｅｎｔｉｃｕｌｅ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）などを含むレーザー支援型の眼の手術におけるような医療レーザー用途においては、且つ、更には、レーザー放射を使用したその他のタイプの材料加工においては、レーザー処理の範囲が鋭く定義されていることと、処理されている材料内へのエネルギーの合計伝達量が小さいことと、が、通常は望ましい。これを目的として、１ピコ秒未満の範囲のパルス幅を有する超短レーザーパルスの使用が示唆されている。従来使用されているパルス持続時間は、例えば、２５０ｆｓ〜８００ｆｓのうちのいずれかであってもよい。同時に、それぞれの単一パルスのエネルギーを、可能な限り小さく、即ち、破壊又は任意のその他の望ましい効果をターゲット内において実現するための閾値エネルギーの近傍に、設定することが試みられている。
【０００４】
必要とされるパルスエネルギーを望ましい効果に到達するための異なるパルス持続時間に対して調節する際に、相対的に短いパルスは、相対的に大きな閾値パワーを有しうるが、閾値パワー及びパルス持続時間の積が、即ち、閾値パルスエネルギーが、しばしば、相対的に短いパルス持続時間にわたって減少することが観察されている。但し、この観点においては、それ未満においては閾値パルスエネルギーの再度の増大が観察されうる固有のパルス幅が様々な用途において存在することが知られている。このようなケースにおいては、エネルギーの最小伝達量が望ましい場合に、異なる用途及び異なるビーム又はターゲットパラメータについてのみ変化しうる理想的なパルス長を判定することができよう。
【０００５】
理想的なレーザーパルス特性は、実質的に、処理されている材料及び意図されているレーザー処理の効果に依存している。例えば、多くの実際的な用途において、プロセスの変更との関連において、パルス長の変更が望ましくなる場合がある。特定のパルス長にフィットするようにチューニングされたエネルギーに関係したパルスパラメータの設定が、パルス長が変更された際に、最小エネルギー伝達量の観点において最適未満の状態となった際に、問題が生じうる。同時に、レーザー装置のユーザーが、例えば、加工の際に、選択されたパルス長の理想的なパルスエネルギーを容易に識別できない場合があり、且つ、従って、必要とされるエネルギーレベルを上回る強力な放射にターゲットを曝露させることにより、ターゲットに過度な応力を印加する場合がある。
【０００６】
これは、手術においても、特に、眼の表面下方の切込みが実行される際のレーザーによる眼の手術においても、特定の欠点を有している。このようなケースにおいては、過剰なパルスエネルギーが、しばしば、眼の組織の蒸発の結果として、眼の組織内における望ましくないほどに大きな蒸気泡をもたらすからであり、これらの泡のサイズは、レーザービーム自体の焦点直径を実質的に上回っている場合がある。このような泡は、取り囲んでいる眼の組織に応力を印加し、且つ、手術ゾーンの光学特性を変化させ、この結果、レーザープロセス自体又は関係した光学的技法が悪影響を受けることになる。更には、この説明対象のシナリオにおいて、一連のパルスが、互いに近接した状態において導かれた場合に、生成された泡が、更に大きな気泡に接続する可能性があり、且つ、従って、その悪影響を強化する可能性がある。このようなガスの容積を除去するためのいくつかの技法が知られているが、一連の様々な用途においては、これらの発生を最小限に抑制しうることが有益であろう。但し、このためには、用途の変化に伴うレーザーパラメータの適合が必要となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、レーザーパルスパラメータを容易に設定する技法が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の態様によれば、パルス化合焦レーザー放射のエネルギー設定のための方法が記述されている。方法は、材料内において不可逆性の損傷を生成するべく必要とされる閾値パルスエネルギーとパルス持続時間との間の関係を確立するステップであって、関係は、複数のパルス持続時間のそれぞれごとの閾値パルスエネルギーの取得を許容しており、複数のパルス持続時間は、２００ｆｓ以下の範囲内の１つ又は複数のパルス持続時間を含む、ステップと、２００ｆｓ以下の範囲内の所与のパルス持続時間について、確立された関係に基づいて、関連する閾値パルスを判定するステップと、判定された関連する閾値パルスエネルギーに基づいて、レーザー放射のパルスエネルギーを設定するステップと、を有し、関係は、２００ｆｓ以下の範囲内の減少するパルス持続時間について、減少する閾値パルスエネルギーを定義している。
【０００９】
関係は、実質的にパルス持続時間の立方根の関数として閾値パルスエネルギーの減少を表しうる。特定の実施形態においては、関数は、パルス持続時間の立方根の線形関数である。これに加えて、又は一代替肢として、関係は、３００ｆｓ以下のパルス持続時間について、例えば、最大で０．３０μＪ又は最大で０．２５μＪ又は最大で０．２０μＪ又は最大で０．１５μＪなどの最大で０．３５μＪの値として、閾値パルスエネルギーを定義してもよい。これに加えて、又は一代替肢として、関係は、２００ｆｓのパルス持続時間について、例えば、０．１５μＪ〜０．２０μＪ又は０．２０μＪ〜０．２５μＪ又は０．２５μＪ〜０．３０μＪ又は０．２０μＪ〜０．３０μＪの範囲内などの０．１５μＪ〜０．３０μＪの範囲の値として、閾値パルスエネルギーを定義してもよい。これに加えて、又は一代替肢として、関係は、１０ｆｓのパルス持続時間について、例えば、０．０５μＪ〜０．０８μＪ又は０．０８μＪ〜０．１０μＪの範囲内などの０．０５μＪ〜０．１０μＪの範囲内の値として、閾値パルスエネルギーを定義してもよい。
【００１０】
確立するステップは、一連のレーザー放射のパルスのそれぞれごとに損傷サイトを生成するべく、複数の２００ｆｓ超の基準パルス持続時間のそれぞれごとに、一連のレーザー放射のパルスによって物体を照射するステップであって、パルスエネルギーは、一連のレーザー放射のパルスのそれぞれごとに異なる方式で設定される、ステップと、それぞれの損傷サイトのサイズを判定するステップと、個々の基準パルス持続時間において生成された損傷サイトの判定されたサイズに基づいて複数の基準パルス持続時間のそれぞれごとに基準閾値パルスエネルギーを判定するステップと、判定された基準閾値パルスエネルギーに基づいて関係を判定するステップと、を含んでもよい。物体は、非生物学的材料であってもよく、或いは、死後の生物学的材料であってもよい。
【００１１】
それぞれの基準閾値パルスエネルギーは、個々の基準パルス持続時間において生成された損傷サイトの判定されたサイズのゼロサイズへの外挿に基づいて判定されてもよい。サイズは、例えば、それぞれの損傷サイズの直径、面積、又は容積に基づいて判定されてもよい。外挿は、例えば、判定されたサイズに対して適用される線形フィット、指数フィット、又は多項式フィットに、或いは、これらの任意の組合せに、基づいたものであってもよい。
【００１２】
これに加えて、又は一代替肢として、関係を判定するステップは、パルス持続時間に基づいて閾値パルスエネルギーの線形近似を判定するステップを含んでもよい。
【００１３】
関係は、１０μｍ又は７μｍ又は５μｍ以下のレーザー放射の焦点直径について確立されてもよく、焦点直径は、放射のパルスのエネルギーの８６％を含むパルス部分の直径を表している。
【００１４】
損傷は、材料のレーザーによって誘発された光学破壊によって生成された光切断を含んでもよい。
【００１５】
方法は、材料内において切込みを生成するべく、設定されたパルスエネルギーを有するレーザー放射を非生物学的材料又は生物学的材料まで導くステップを含んでもよい。材料は、人間の眼の組織であってもよい。
【００１６】
関係は、パルス持続時間と、閾値パルスエネルギーの代わりに、材料内において不可逆性損傷を生成するべく必要とされる閾値パルスフルエンスとの間において確立されてもよく、関係は、２００ｆｓ以下の範囲内の減少するパルス持続時間について、減少する閾値パルスフルエンスを定義しており、且つ、関連する閾値パルスフルエンスが、関連する閾値パルスエネルギーの代わりに判定され、且つ、レーザー放射のパルスフルエンスは、判定された関連する閾値パルスフルエンスに基づいて設定される。
【００１７】
関係がパルス持続時間と閾値パルスフルエンスとの間において確立される場合には、関係は、３００ｆｓ以下のパルス持続時間について、例えば、最大で１．５０Ｊｃｍ-2又は最大で１．３０Ｊｃｍ-2又は最大で１．１０Ｊｃｍ-2又は最大で０．９０Ｊｃｍ-2又は最大で０．７０Ｊｃｍ-2又は最大で０．５０Ｊｃｍ-2などの最大で１．８０Ｊｃｍ-2の値として、閾値パルスフルエンスを更に定義してもよい。これに加えて、又は一代替肢として、関係は、２００ｆｓのパルス持続時間について、例えば、０．８０Ｊｃｍ-2〜０．９５Ｊｃｍ-2又は０．９５Ｊｃｍ-2〜１．０５Ｊｃｍ-2又は１．０５Ｊｃｍ-2〜１．３０Ｊｃｍ-2又は１．３０Ｊｃｍ-2〜１．５０Ｊｃｍ-2の範囲などの０．８０Ｊｃｍ-2〜１．５０Ｊｃｍ-2の範囲の値として、閾値パルスフルエンスを定義してもよい。これに加えて、又は一代替肢として、関係は、１０ｆｓのパルス持続時間について、例えば、０．２０Ｊｃｍ-2〜０．３５Ｊｃｍ-2又は０．３５Ｊｃｍ-2〜０．５０Ｊｃｍ-2の範囲内などの０．２０Ｊｃｍ-2〜０．５０Ｊｃｍ-2の範囲内の値として、閾値パルスフルエンスを定義してもよい。
【００１８】
第２の態様によれば、レーザー装置が記述され、レーザー装置は、超短パルス化レーザー放射のビームの供給源と、ビームを時間及び空間においてガイド及び成形するコンポーネントの組と、材料内において不可逆性の損傷を生成するべく必要とされる閾値パルスエネルギーとパルス持続時間との間の関係を表すデータを保存する制御ユニットであって、関係は、複数のパルス持続時間のそれぞれごとの閾値パルスエネルギーの取得を許容しており、複数のパルス持続時間は、２００ｆｓ以下の範囲内の１つ又は複数のパルス持続時間を含み、関係は、２００ｆｓ以下の範囲内の減少するパルス持続時間について、減少する閾値パルスエネルギーを定義し、制御ユニットは、２００ｆｓ以下の範囲内の所与のパルス持続時間について、保存されているデータに基づいて、関連する閾値パルスエネルギーを判定し、且つ、判定された関連する閾値パルスエネルギーに基づいて、ビームのターゲットパルスエネルギーを判定するように構成されている、制御ユニットと、を有する。
【００１９】
制御ユニットは、判定されたターゲットパルスエネルギーの視覚的表現を出力装置上において出力するように構成されてもよい。出力装置は、リモート装置であってもよく、或いは、レーザー装置と一体型であってもよい。これに加えて、又は一代替肢として、制御ユニットは、ビームの判定されたターゲットパルスエネルギーを自動的に設定するように構成されてもよい。
【００２０】
関係は、実質的にパルス持続時間の立方根の関数として、閾値パルスエネルギーの減少を表してもよい。これに加えて、又は一代替肢として、関係は、３００ｆｓ以下のパルス持続時間について、例えば、最大で０．３０μＪ又は最大で０．２５μＪ又は最大で０．２０μＪ又は最大で０．１５μＪなどの最大で０．３５μＪの値として、閾値パルスエネルギーを定義してもよい。これに加えて、又は一代替肢として、関係は、２００ｆｓのパルス持続時間について、例えば、０．１８μＪ〜０．２２μＪの範囲内などの０．１５μＪ〜０．２５μＪの範囲内の値として、閾値パルスエネルギーを定義してもよい。これに加えて、又は一代替肢として、関係は、１０ｆｓのパルス持続時間について、例えば、０．０６μＪ〜０．０８μＪの範囲内などの０．０５μＪ〜０．１０μＪの範囲内の値として、閾値パルスエネルギーを定義してもよい。
【００２１】
ビームは、１．１５又は１．１以下のＭ2パラメータを有するガウスビームであってもよい。
【００２２】
本発明の更なる詳細、目的、及び利点については、以下の説明及び図面から明らかとなる。
【００２３】
本発明は、以下の図面を参照して例示される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による個々のパルス持続時間について閾値パルスエネルギーを判定する方法の一実施形態の概略図である。
【図２】本発明による一連のパルス持続時間について閾値パルスエネルギーを判定する方法の一実施形態の概略図である。
【図３】本発明によるパルス化合焦レーザー放射のエネルギー設定のための方法の一実施形態のフローチャートである。
【図４】本発明によるパルス化合焦レーザー放射のエネルギー設定のための方法の一代替実施形態のフローチャートである。
【図５】本発明によるレーザー装置の一実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、特定のパルス持続時間について、且つ、任意のターゲット材料について、ターゲット材料内において不可逆性の損傷を生成するべく必要とされる閾値パルスエネルギーを判定する方法の一実施形態を概略的に示している。図１の例においては、パルス持続時間τLは、３００ｆｓ、４００ｆｓ、及び５００ｆｓとして選択されているが、記述されている方法は、任意のその他のパルス長の組にも適用することができる。
【００２６】
図１の図に示されているように、任意の選択されたパルス長について、パルス長に依存した閾値エネルギーＥthに到達するか又はこれを超過するとすぐに、有限サイズＤDamageの損傷が、ターゲット材料内において発生することになる。この図は、任意の所与のパルス長τLについてターゲット材料内において生成される損傷サイトのサイズＤDamageは、パルスエネルギーに伴って増大することを更に示している。又、３つの曲線の比較から、５００ｆｓ及びエネルギーＥ2のパルスによって生成される類似した程度の損傷は、３００ｆｓという相対的に短いパルス内においてそのエネルギーが集中された場合には、相対的に小さなエネルギーＥ1によって実現することも可能であることがわかる。これは、類似の効果の場合には、相対的に短いパルスを使用することにより、相対的に少ない量のエネルギー伝達が可能となるという一般的な仮定と合致している。
【００２７】
個々の閾値パルスエネルギーＥth,300、Ｅth,400、Ｅth,500の場合に、単一のパルスによって生成される損傷は、不可視状態となるほどに小さくなり、即ち、ＤDamage＝０となり、且つ／又は、材料内の熱的変化のみが存在することになることから、損傷の程度は、一連のパルス持続時間について損傷サイトのサイズが便利に計測されうる相対的に大きなエネルギーＥ1、Ｅ2について判定される。図１の破線によって示されているように、それぞれのパルス持続時間ごとのその依存性をゼロの損傷サイズに対して外挿することにより、結果的胃、対応した閾値エネルギーの値が得られることになる。
【００２８】
図１の曲線は、パルスエネルギーに対する損傷サイズの線形依存性を示唆しているが、この依存性は、しばしば、非線形関係により、相対的に良好に表現されうる。正確な関係は、例えば、長さ、面積、又は容積によって損傷サイズを表現するべく選択される量に依存している。更には、記述されている例においては、単一パルスの効果のみが考慮されているが、方法は、同様に、同一の場所において印加される様々な数のパルス（即ち、パルスバースト）における損傷サイズの検出を伴ってもよい。
【００２９】
閾値エネルギーを判定する従来の方法は、しばしば、例えば、プラズマ放射の迅速な増大などのレーザーによって誘発された光学破壊との関連において発生する副次的効果に依存しているが、本方法は、意図されているターゲット材料内における不可逆性の損傷の効果を直接的に計測している。この結果、閾値エネルギーを実験的に且つ異なるターゲット材料について判定することが可能であり、これが、その他の方法によって得られる結果とは異なっている。実験は、不可逆性の破壊が、一般に仮定されている相対的に小さな閾値エネルギーにおいて実現されうることを具体的に示唆している。但し、これは、本方法において、ターゲット材料内の損傷が、レーザーによって誘発された光学破壊によって少なくとも部分的に生成される可能性を排除するものではない。
【００３０】
図２は、損傷閾値パルスエネルギーと２００ｆｓ超又は未満の範囲内のパルス持続時間との間の関係を判定する方法を概略的に且つ任意のパルス及び材料特性について示している。２００ｆｓ超の範囲において、異なる閾値エネルギーＥthが、図１に従って、対応したパルス長τL＝３００ｆｓ、４００ｆｓ、及び５００ｆｓについてプロットされている。図２の連続的な曲線によって示されているように、補間により、この範囲内において望ましい関係を確立することができる。
【００３１】
超短パルスの場合には、破壊は、パルス長に対して、且つ、従って、閾値エネルギーに対して、下限を課さない主に強度に依存したプロセスとして想定されうるという仮定に基づいて、図２の曲線によって表現された関係は、原点から始まりうるものと更に仮定されている。このようなケースにおいては、閾値パルスエネルギーは、実質的にパルス持続時間の立方根の関数であると仮定される（Ｅth(damage)〜τ1/3）。計測されたデータとの関連において、且つ、図２の破線の曲線によって示されているように、この結果、２００ｆｓよりも相当に短いパルス持続時間についても、計測された範囲を超えた曲線の外挿が可能となる。
【００３２】
この結果得られる曲線は、最短パルス長に向かう閾値エネルギーの連続的な減少を示しており、且つ、これは、１未満の指数を有するパルス長のべき関数によって適切に表現することができる。従って、曲線は、ターゲット材料内への小さなエネルギー伝達量が意図されている場合には、閾値パルスエネルギーが、減少するパルス持続時間について安定的に減少する一方で、パルス長は、一般的な使用法においては、２００ｆｓ未満の範囲に低減できることを意味している。記述されている関係が確立されたら、この関係は、２００ｆｓ以下の範囲内の様々なパルス持続時間についてパルスエネルギーを設定するべく、使用されてもよい。
【００３３】
上述の内容に加えて、或いは、曲線が原点を通過するという仮定を伴うことなしに十分である単純化された実施形態においては、関係は、計測されたデータに基づいた線形近似に少なくとも部分的に基づいて判定されてもよい。図２には、この変形が、点線の曲線により、例示を目的として示されている。更には、記述されている関係は、支配的な強度依存性の仮定に依存していることから、記述されている方法の代替実施形態においては、フルエント／パルスなどのその他のエネルギーに関係したビームパラメータを優先することにより、パルスエネルギーを無視することが有利でありうる。
【００３４】
図３は、本発明によるパルス化合焦レーザー放射のエネルギー設定のための方法３００の例示用の一実施形態のフローチャートである。方法３００は、上述の手順及び結果のうちのいくつか又はすべてを伴ってもよい。第１ステップ３１０において、損傷閾値パルスエネルギーと２００ｆｓ以下の範囲内のパルス持続時間との間の関係が確立されている。これは、例えば、図１及び図２との関連において記述されている手順によって実行することができる。ステップ３２０において、この関係に基づいて、且つ、２００ｆｓ以下の範囲内の所与のパルス持続時間について、関連する閾値パルスエネルギーが判定されている。その後に、ステップ３３０において、判定された関連する閾値パルスエネルギーに基づいて、レーザー放射のパルスエネルギーが設定されている。
【００３５】
従って、方法３００によれば、変更されたパルス長に対してレーザー放射のエネルギーを容易に調節することができる。この結果、例えば、特定のプロセスについて、最適化されたパルスエネルギーを常に維持しつつ、レーザーのパルス長を変化させることが可能となる。パルスエネルギーが、判定された閾値エネルギーを上回る値において設定される場合には、設定値は、特定の実施形態においては、例えば、判定された閾値エネルギーの１．５〜５倍又は１．５〜４倍又は１．８〜３．５倍又は２〜４倍の範囲内であってもよい。その他の実施形態によれば、材料の加工に使用されるレーザー装置のパルスエネルギーは、判定された閾値エネルギーの少なくとも１．３倍又は少なくとも１．５倍又は少なくとも１．８倍又は少なくとも２．０倍において設定されてもよい。上限については、設定されたパルスエネルギーは、判定された閾値エネルギーの５倍以下又は４．５倍以下又は４倍以下又は３．５倍以下又は３．０倍以下又は２．５倍以下であってもよい。特定の実施形態においては、パルスエネルギーは、例えば、０．０５μＪ、０．１０μＪ、又は０．２０μＪ、又は０．３０μＪ、又は０．４０μＪなどの判定された閾値エネルギーを上回る既定の絶対量によって設定されてもよい。このようなケースのいずれかにおいては、一連のパルス長における閾値エネルギーに関する情報は、パルスエネルギーを相応して最適化するための適切な手段を提供する。
【００３６】
図４は、本発明によるパルス化合焦レーザー放射のエネルギー設定のための方法４００の一代替実施形態のフローチャートを示している。図４の方法においては、損傷閾値パルスエネルギーとパルス持続時間との間の関係を確立するステップ４１０は、複数のサブステップ４１２、４１４、４１６、４１８を含む。図３の方法３００と同様に、関係が確立されたら、この関係は、ステップ４２０において、２００ｆｓ以下の範囲内の所与のパルス持続時間について、関連する閾値パルスエネルギーを判定し、且つ、ステップ４３０において、関連する閾値パルスエネルギーに基づいてレーザー放射のパルスエネルギーを設定するべく、使用されてもよい。パルスエネルギーが設定されたら、レーザー放射は、ステップ４４０において、材料内に切込みを生成するべく、ターゲット材料まで最終的に導くことができる。
【００３７】
第１ステップ４１２において、計測可能な損傷サイトが物体内において生成されるように、上述の関係の確立を要する物体又は材料のサンプルが、異なるパルスエネルギー及び２００ｆｓ超のパルス持続時間によって照射されている。次いで、ステップ４１４において、それぞれの損傷サイトのサイズが判定されている。ステップ４１６において、判定されたサイズに基づいて、パルス持続時間のそれぞれごとに、閾値パルスエネルギーを判定することができる。これは、図１との関連において記述されている技法のいずれかを使用することにより、実行されてもよい。最後に、ステップ４１８において、判定された閾値エネルギーに基づいて、損傷閾値パルスエネルギーとパルス持続時間との間の関係が判定されている。これは、この場合にも、図２との関連において記述されている技法のいずれかを使用することにより、実行することができる。
【００３８】
損傷閾値パルスエネルギーとパルス持続時間との間における正確な関係は、多数のその他の条件にも依存することになる。これらの条件は、最も顕著には、照射される材料の特性と、レーザー波長などの更なるビームパラメータと、レーザーパルスの時間的且つ空間的なプロファイルと、を含む。但し、実験データに基づいて、関連する用途においては、図２に示されているように、求められている関係を記述する、べき関数の指数は、主には０．３と０．３６との間において変化することが判明している。従って、これは、実際的には、パルス持続時間の立方根関数として近似することができる。
【００３９】
更には、記述されている方法３００、４００は、ポリメチルメタクリレート、ＰＭＭＡ、及び動物の眼の組織などの様々な透明な非生物学的且つ死後の生物学的試験材料について、且つ、例えば、レーザー焦点の直径が、即ち、パルスエネルギーの約８６％を伝達するビーム断面の直径が、例えば、８マイクロメートル未満又は６マイクロメートル未満、又は４マイクロメートル未満などの１０マイクロメートル未満として選択された際などのように、確立された用途用の最も関連する範囲におけるビーム特性について、信頼性の高い結果をもたらす。例えば、３００ｆｓ未満のパルス持続時間の場合には、０．０５〜０．３５マイクロジュールという閾値エネルギーが判定されている。この範囲内においては、２００ｆｓのパルス持続時間における閾値エネルギーは、０．１５〜０．３０マイクロジュールの範囲内に、且つ、１０ｆｓのパルス持続時間の場合には、０．０５〜０．１マイクロジュールの範囲内に、含まれるものと判定されている。従って、ターゲット材料が人間の眼の組織であるケースにおいては、パルス持続時間に対する閾値パルスエネルギーの同一の固有の立方根依存性と、恐らくは、同一のエネルギー範囲と、が適用されるものと予想することができる。
【００４０】
上述のように、パルスエネルギーの代わりに、例えば、フルエンス／パルスなどのその他のエネルギーに関係したパラメータが考慮される方法３００、４００の代替実施形態を実現することができる。このようなケースにおいても、立方根依存性が相応して適用される。例えば、以前の例と同一の焦点及び材料特性により、且つ、閾値パルスフルエンスが適用された場合には、記述されている方法３００、４００は、３００ｆｓ未満のパルス長の場合に、０．２〜１．８０Ｊｃｍ-2の閾値フルエンスをもたらす。更に詳しくは、２００ｆｓのパルス持続時間における閾値フルエンスは、０．８０Ｊｃｍ-2〜１．５０Ｊｃｍ-2の範囲内に、且つ、１０ｆｓのパルス持続時間の場合には、０．２０Ｊｃｍ-2〜０．５０Ｊｃｍ-2の範囲内に、含まれるものと判定されている。
【００４１】
図５は、本発明によるレーザー装置５００の例示用の一実施形態を示している。レーザー装置５００は、ビーム供給源５１０と、ビームを時間及び空間においてガイド及び成形するコンポーネントの組５２０と、制御ユニット５３０と、を有する。制御ユニット５３０は、制御ユニット５３０が、データベース５３５によって保存されているデータにアクセス可能であると共にこれを処理することができるように、データベース５３５を有してもよく、或いは、これに接続されてもよい。レーザー装置５００は、視覚的出力装置５４０を更に含んでもよく、且つ／又は、制御ユニット５３０により、且つ、視覚的表現のために、信号を外部出力装置５４０に出力するように更に適合されてもよい。
【００４２】
わかりやすさを目的として、図５には、ビーム供給源５１０並びにガイド及び成形コンポーネントの組５２０は、２つの別個のエンティティとして示されている。但し、代替実施形態においては、ビームの成形及びガイド用の手段は、レーザー装置５００内において複数の別個のコンポーネントを有してもよく、更には、逆に、ビーム供給源５１０が、生成されたレーザービームをガイド及び成形する手段を有してもよい。従って、ガイド及び成形手段５２０と共に、ビーム供給源５１０は、超短パルス化合焦レーザー放射を提供するように適合された当技術分野において既知の任意の技術的な構成を定義しており、この場合に、少なくともパルス長及びパルスエネルギー又はフルエンス／パルスなどの別のエネルギーに関係したパラメータを制御できることを理解されたい。大部分の関連する用途に鑑み、提供されるレーザービームは、１．１５以下のＭ2パラメータを有するガウスビームであることが更に好ましい。
【００４３】
制御ユニット５３０は、本発明に従って、パルス持続時間と損傷閾値パルスエネルギー又は閾値フルエンスなどの別のエネルギーに関係したパルスパラメータ用の損傷閾値との間の関係を表すデータを保存及び処理してもよい。データの保存を目的として、図５に示されている制御ユニット５３０は、データベースをホスティングするべく機能するストレージ装置５３５を有する。代替実施形態においては、制御ユニット５３０とデータベース５３５との間の機能的接続が、データベース５３５によって保存されているデータの制御ユニット５３０による読取り及び処理を許容している場合には、データベース５３５は、制御ユニット５３０の外部において構成されてもよい。この保存されているデータに基づいて、制御ユニット５３０は、２００ｆｓ未満の所与のパルス持続時間について、関連する閾値パルスエネルギーを判定し、且つ、更には、判定された閾値に基づいてターゲットビーム内のパルスのエネルギーを判定するように、構成されている。
【００４４】
図５に示されているように、制御ユニット５３０は、判定されたターゲットパルスエネルギーを通知する信号を出力装置５４０に出力するように更に構成されている。従って、判定されたターゲットパルスエネルギーのグラフィカルな表示により、レーザー装置のユーザーは、表示されている情報に従って、且つ、選択されたパルス長に応じて、パルスエネルギーを設定することができる。或いは、この代わりに、制御ユニット５３０は、判定されたパルスエネルギーを自動的に設定するように適合されてもよい。これは、例えば、制御ユニットとビーム供給源５１０及び／又はビームガイド及び成形手段の組５２０との間における制御接続により、実現することができる。この結果、レーザー装置５００のユーザーは、パルス長を任意に変化させることができることになり、レーザー装置５００は、対応したパルスエネルギーを自動的に提供することになる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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