Photoablation of Gelatin With the Free-Electron Laser Between 2.7 and 6.7 µm
Authors: Jean Benedikt , Bende Thomas 
Published: April 2021

ABSTRACT

BACKGROUND: Photoablation in the infrared (IR) is an option for future refractive and corneal surgery; its basic principles have not yet been investigated systematically. For the first time, the free electron laser allows the dynamic study of photoablation over a wide range of wavelengths with variable combinations of pulselength and energy. The goal of this study is to use the free electron laser as a tool to describe photoablation in the IR quantitatively. We studied the function of wavelength as it is related to target material spectroscopy and the effects of corneal hydration and the pulse repetition rate.

METHODS: Surface absorption spectroscopy of the human cornea and of gelatin as a proven model of the cornea was performed between 2.7 and 6.7 µm. Gelatin probes of well-defined thickness (140 ± 5 µm) and controlled hydration (wet/dry weight 1 to 4.5) served as target material. Photoablation was performed with the Vanderbilt University free electron laser (Nashville, Tenn) in September 1992 at a fluence of 1.27 J/em2, and a macropulse of 4 µs, composed of 2 ps micropulses at a 2.9 GHz pulse repetition rate. Wavelength was tunable between 2.7 and 6.7 µm at stable beam profiles. Ablation experiments were performed as a function of energy, hydration, and pulse repetition rate. Ablation rates were assessed by a) perforation experiments, and b) direct measurements using confocal laser topometry (UBM, Ettlingen, FRG).

RESULTS: Ablation rate, assessed by perforation experiments and topometry, correlated well with the corresponding measured absorbencies of the target material: maximal ablation rate at maximal target absorption, around the 3- and 6-micrometer water absorption bands. The ablation threshold at 6.2 µm was 0.7 ± 0.05 J/cm
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(perforation) and 0.55 ± 0.08 J/cm
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for depth measurements. Ablation rate as a function of hydration increased to 2.3 (wet/dry weight) with a decrease for higher hydrations. Ablation rate as a function of the pulse repetition rate showed an increase of up to 20 Hz, where it was found to be 60% higher.

CONCLUSION: The first systematic use of free electron laser technology positively correlated ablation efficiency with target material absorption, thus identifying a "new" promising wavelength at around 6.2 µm for materials with a high water content such as corneal tissue. [J Refract Corneal Surg. 1994;10:433-438.]

RESUME

INTRODUCTION: La photoablation au laser infrarouge (Ht) est une option possible pour le futur de la chirurgie refractive cornéenne. Ces principes fondamentaux n'ont pas encore été évalués systématiquement. Le laser à électron libre (FEL) permet l'étude dynamique de la photoablation sur une large gamme de longueur d'onde associant des choix différents de duré d'impact et d'énergie. Le but de cette étude est d'utiliser le FEL comme un instrument pour évaluer quantitativement la photoablation dans l'infrarouge. Nous avons étudié le rôle de la longueur d'onde appliqué à différentes cibles, de !'hydration cornéenne, de la fréquence des impacts.

MATERBELS ET METHODES: Les irradiations de la cornée humaine et de gélatine, modèle démontré de la cornée, ont été réalisées entre 2.7 µm et 6.7 µpa. Les cibles en gélatine étaient d'épaisseurs connues (140 ± 5 µm) et d'hydratations contrôlées (Rapport poids Hydraté/sec de 1 à 4.5). La photoablation a été faite à l'aide du laser FEL de l'université de Vanderbilt en septembre 1992 à la fluence de 1.27 J/cm
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avec des impacts de 4 us subdivisés en microimpacts de 2 picosecondes de 2.9 GHz de fréquence. La longueur d'onde était réglable entre 2.7 et 6.7 µm pour un profil du faisceau stable. L'étude de l'ablation a été faite en fonction de l'énergie, de l'hydratation et de la fréquence des impacts. Le taux d'ablation a été évalué par a) test de perforation, et b) mesure directe par topométrie laser confocale (UBM, Ettlingen, FRG).