СИСТЕМА И МЕТОД СКАНИРОВАНИЯ ЛУЧОМ УЛЬТРАКОРОТКОГО ИМПУЛЬСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
SYSTEM AND METHOD OF SCANNING ULTRASHORT PULSED BEAM RADIATION

Настоящее изобретение относится к системам и методам сканирования лучом ультракороткого импульсного излучения.
Для ультракоротких импульсов электромагнитного излучения дисперсия материала может вызвать нежелательное искажение импульсов при их прохождении через стекло или другие оптические материалы в оптической системе. Величина искажения зависит от спектральной ширины импульса и становится особенно значительной, когда длительность импульса уменьшается до значений двухзначного фемтосекундного диапазона или менее. Побочные эффекты дисперсии материала включают в себя разницу времени распространения (РВР) или групповую задержку (ГЗ) и дисперсию групповой скорости (ДГС). ДГС состоит из различных порядков дисперсии через оптический материал. Групповая задержка дисперсии (ГЗД) является дисперсией второго порядка и вызывает временное уширение импульса, проходящего через оптический материал. Высшие порядки включают дисперсию третьего порядка (ДТП) и дисперсию четвертого порядка (ДЧП). Более подробное обсуждение последствий РВР и ДГС можно найти в патенте US 2011/0058241, содержание которого включено в настоящую заявку в качестве ссылки.
Длина пути, проходимого лучом в линзе, может зависеть от радиального расстояния от оптической оси линзы. Например, увеличительная линза имеет большую толщину в центральной части и меньшую толщину в периферической части линзы. В рассеивающей линзе длина пути больше в периферийной части линзы и уменьшается к центру линзы. В зависимости от радиальной позиции по отношению к оси оптической линзы, луч, проходящий через линзу, может, таким образом, иметь различное значение дисперсии.
Длина пути, проходимого лучом в линзе, также может зависеть от угла распространения луча в материале линзы по отношению к оптической оси линзы. Угол, под которым луч пересекает линзу, зависит от угла падения луча на линзу. Лучи, падающие на линзу в одно и то же положение, но под разными углами падения, таким образом, имеют разную длину пути в линзе. Угол падения может изменяться, поскольку луч, распространяющий импульсы излучения, сканируется по плоскости, расположенной ортогонально к направлению распространения луча. Различные углы падения, таким образом, могут представлять различные углы сканирования. Следовательно, в зависимости от угла сканирования, луч, проходящий через линзу, может подвергаться различным величинам дисперсии. В частности, луч может испытывать различные величины ГЗ для различных значений угла сканирования.
Для снижения ГЗД, вызванной оптической системой, используются диспергирующие зеркала. С этой целью диспергирующие зеркала могут иметь конструкцию, предназначенную для создания отрицательного ЛЧМ-импульса (импульса линейной частотной модуляции), который, по меньшей мере, частично компенсирует положительный ЛЧМ-импульс (временное уширение), созданный оптической системой для импульса, проходящего через оптическую систему. Патент US 2011/0058241 Al описывает многослойные зеркала с линейной модуляцией частоты, у которых значения ГЗД изменяются в зависимости от угла падения.
Настоящее изобретение представляет собой сканирующую оптическую систему, содержащую: оптический источник, обеспечивающий луч импульсного излучения длительностью ультракороткого импульса, дефлектор для отклонения луча на угол сканирования, систему линз, в том числе, фокусирующее устройство для фокусировки отклоненного луча, устройство компенсации дисперсии для уменьшения искажений импульса луча, связанных с дисперсией, с помощью системы линз, устройство компенсации дисперсии, включая деформируемое диспергирующее зеркало и привод для зеркала, а также контроллер для управления приводом в целях изменения формы зеркала в соответствии с углом сканирования.
Изменение формы деформируемого диспергирующего зеркала может быть эффективным для создания или изменения относительной задержки между падением волновых пакетов при различных положениях зеркала. Таким образом, относительное временное смещение между падением волновых пакетов при различных положениях зеркала может быть отрегулировано, и вариации пространственного распределения групповой задержки (ГЗ) по отношению к углу сканирования системы линз могут быть компенсированы, по крайней мере, частично. Изменение формы деформируемого диспергирующего зеркала может включать в себя перемещение назад или вперед одного или нескольких отражающих участков поверхности зеркала по отношению к одному или нескольким другим отражающим участкам поверхности зеркала.
В некоторых вариантах исполнения деформируемое диспергирующее зеркало имеет многослойную структуру, обеспечивающую дисперсионную характеристику, которая изменяется в зависимости от положения на отражающей поверхности зеркала. Например, многослойная структура деформируемого диспергирующего зеркала через отражающие поверхности может обеспечить, по крайней мере, что-то одно из: неравномерной ГЗ, неравномерной ГЗД и неравномерной ДТП. Неравномерная ГЗ зеркала может быть полезной для компенсации вариаций ГЗ в соответствии с разными значениями радиального смещения от оптической оси системы линз. Аналогичным образом, неравномерные ГЗД и ДТП зеркала могут быть полезными для компенсации вариаций ГЗД и ДТП, соответственно, в зависимости от различных значений радиального смещения от оптической оси системы линз. Пространственные вариации ГЗ, ГЗД или ДТП могут быть особенно значимыми в светосильных оптических системах, которые используются, например, в фемтосекундных лазерных системах, предназначенных для глазной хирургии.
В некоторых вариантах исполнения устройство компенсации дисперсии дополнительно включает в себя объемный компенсатор, имеющий характеристику пространственно однородной дисперсии для компенсации величины, по меньшей мере, чего-то одного из групповой задержки и дисперсии групповой задержки, вызванной системой линз.
В некоторых вариантах исполнения оптический источник представляет собой лазерный генератор, и излучение имеет центральную длину волны, которая подходит для создания разрезов в ткани человеческого глаза.
Настоящее изобретение также предлагает метод сканирования, включающий в себя: обеспечение луча импульсного излучения длительностью ультракороткого импульса, отклонение луча на угол сканирования, фокусировку отклоненного пучка с помощью фокусирующего устройства, использование деформируемого зеркала, и управление формой деформируемого зеркала в соответствии с углом сканирования для, по меньшей мере, частичной компенсации вариаций пространственного распределения групповой задержки фокусирующего устройства в зависимости от различных углов сканирования.
Следует отметить, что в некоторых вариантах исполнения настоящего изобретения деформируемое диспергирующее зеркало может быть заменено на деформируемое недиспергирующее зеркало. В таких вариантах исполнения деформируемое зеркало все еще может быть использовано для регулировки длины воздушного пространства между зеркалом и последующим оптическим элементом (например, линзой) локально, т.е. индивидуально для различных пространственных положений, на основе угла сканирования луча излучения. Таким образом, можно обеспечить вариации пространственного распределения групповой задержки оптической системы, если вариации имеют различные углы сканирования. При этом в данных вариантах исполнения деформируемое зеркало не образует дисперсию групповой скорости для импульсов, падающих на зеркало.
Варианты исполнения настоящего изобретения ниже более детально описаны на примерах со ссылкой на прилагаемые чертежи, среди которых на:
Фиг. 1 показан пример сканирующей оптической системы, которая может быть использована для создания разрезов на человеческом глазе, в соответствии с вариантом исполнения.
Фиг. 2 показаны элементы устройства компенсации дисперсии в соответствии с вариантом исполнения.
Фиг. 3 отражены этапы метода сканирования в соответствии с вариантом исполнения.
Теперь обратимся к чертежам, на которых детально представлены примеры исполнения изобретенной системы и предлагаемый метод. Следующее описание никоим образом не претендует на то, чтобы быть исчерпывающим, или не устанавливает каким-либо образом предел и не ограничивает прилагаемую формулу изобретения применительно к конкретным вариантам исполнения, отображенным и раскрытым на чертежах. Хотя на чертежах показаны возможные варианты исполнения, масштаб на них не обязательно соблюден, и некоторые функции могут быть упрощены, преувеличены, удалены или частично разбиты на части для того, чтобы лучше проиллюстрировать те или иные варианты исполнения. Кроме того, некоторые чертежи могут быть представлены в схематической форме.
На Фиг. 1 показан пример исполнения сканирующей оптической системы 10, которая может сканировать и фокусировать луч ультракоротких импульсов лазерного излучения. В показанном варианте исполнения сканирующая оптическая система 10 включает в себя лазерное устройство и управляющий компьютер. Лазерное устройство может создавать разрезы в роговице, хрусталике глаза человека, или других тканевых структурах человеческого глаза с помощью лазерного излучения. В данном контексте «ультракороткий» означает длительность импульса менее 100, 80, 50 или 20 фемтосекунд (фсек). В некоторых вариантах исполнения длительность импульса находится в диапазоне однозначных численных значений фемтосекунд (т.е. менее 10 фсек) или в аттосекундном (асек) диапазоне.
В показанном примере на Фиг. 1 сканирующая оптическая система 10 выполняет лазерную хирургическую операцию на человеческом глазе 12. Сканирующая оптическая система 10 включает в себя лазерное устройство 14, адаптер для пациента 16, управляющий компьютер 18 и запоминающее устройство 20, которые могут быть соединены, как показано на фигуре. Лазерное устройство 14 включает в себя лазерный генератор 22, расширитель пучка 24, устройство компенсации дисперсии 25, сканер 26, одно или несколько оптических зеркал 28 и фокусирующее устройство 30, соединенные, как показано на фигуре. Адаптер для пациента 16 включает в себя контактный элемент 32 и опорную втулку 34, которые могут быть соединены, как показано на фигуре. В запоминающем устройстве 20 хранится программа управления 36.
Лазерный генератор 22 генерирует лазерный луч 38 с ультракороткими импульсами. Фокус лазерного луча 38 может создать индуцированный лазерным излучением оптический пробой (LIOB) в таких тканях, как роговица или другая тканевая структура глаза 12. Лазерный луч 38 может иметь любую подходящую длину волны в диапазоне 300-1900 нанометров (нм), например, длину волны в диапазоне 300-650, 650-1050, 1050-1250, 1100-1500 нм, или 1500-1900 нм. Лазерный луч 38 может также иметь в диаметре относительно небольшое значение фокусировки, например, 5 микрометров (мкм) или меньше.
Расширитель пучка 24, устройство компенсации дисперсии 25, поперечный сканер 26, оптические зеркало 28 и фокусирующее устройство 30 находятся на пути лазерного луча 38.
Расширитель пучка 24 сконфигурирован для увеличения ширины или диаметра лазерного луча 38. Примером расширителя пучка 24 является афокальный телескоп такого же типа, как использовавшийся Галилеем.
Сканер 26 выполнен с возможностью управления фокальной точкой лазерного луча 38 в поперечном направлении. «Поперечное» означает направление под прямым углом к направлению распространения лазерного луча 38, а «продольное» относится к направлению распространения луча. Поперечная плоскость может быть определена как плоскость х-у, а продольное направление может быть определено как z-направление. Сканер 26 может отклонять лазерный луч 38 в поперечном направлении любым подходящим способом. Например, сканер 26 может включать в себя пару зеркал сканера с гальванометрическим приводом, которые можно наклонять относительно взаимно перпендикулярных осей. В качестве другого примера, сканер 26 может включать в себя электрооптический кристалл, который направляет лазерный луч 38 электрооптическим способом.
Лазерное устройство 14 также может направить лазерный луч 38 в продольном направлении для смещения фокуса луча 38 в z-направлении. Для продольного сканирования лазерное устройство 14 может включать в себя продольно регулируемую линзу, линзу с переменной преломляющей способностью, или деформируемое зеркало, которые могут управлять z-положением фокуса луча. В некоторых вариантах исполнения расширитель пучка 24 включает в себя систему линз, состоящую из двух или более линз, в которой одна из линз расширителя пучка 24 расположена с возможностью ее регулировки в продольном направлении или имеет переменную преломляющую способность. В других вариантах исполнения сканер 26 включает в себя продольный элемент сканирования, как, например, деформируемое зеркало.
Одно или несколько оптических зеркал 28 направляют лазерный луч 38 в направлении фокусирующего устройства 30. Например, оптическое зеркало 28 может быть неподвижно изменяемым зеркалом или подвижно изменяемым зеркалом. В качестве альтернативы, вместо оптического зеркала 28 может быть предусмотрен оптический элемент, который может преломлять и/или отклонять лазерный луч 38.
Фокусирующее устройство 30 фокусирует лазерный луч 38 на целевую область глаза 12. Фокусирующее устройство 30 может быть разъемно соединено с адаптером для пациента 16. В роли фокусирующего устройства 30 может выступать любое подходящее оптическое устройство, например, объектив F-Theta. В некоторых вариантах исполнения фокусирующее устройство 30 представляет собой многолинзовое устройство, состоящее из нескольких преломляющих линз.
Адаптер для пациента 16 взаимодействует с роговицей глаза 12. Втулка 34 соединена с фокусирующим устройством 30 и удерживает контактный элемент 32. Контактный элемент 32 является прозрачным или полупрозрачным для лазерного излучения и имеет опорную поверхность 40, которая взаимодействует с роговицей и может выравнивать часть роговицы. В некоторых вариантах исполнения опорная поверхность 40 является плоской и образует плоскую область на роговице. Опорная поверхность 40 может быть на плоскости х-у, следовательно, плоская область также находится на плоскости x-y. В других вариантах исполнения необходимо, чтобы опорная поверхность 40 была не плоской, например, она может быть выпуклой или вогнутой.
Управляющий компьютер 18 контролирует управляемые компоненты лазерного устройства 14, такие как, например, лазерный генератор 22, расширитель пучка 24, устройство компенсации дисперсии 25, сканер 26 и факультативно, по меньшей мере, одно оптическое зеркало (зеркала) 28, в соответствии с управляющей программой 36. Управляющая программа 36 содержит машинный код, который подает команды на управляемые компоненты для фокусирования импульсного лазерного излучения на область глаза 12 до фоторазрушения, по крайней мере, части области.
Сканирующие компоненты сканирующей оптической системы 10 могут направить лазерный луч 38 для формирования разрезов любой подходящей геометрической формы. Фоторазрушению может быть подвергнута любая подходящая часть ткани глаза 12 . Оптическая система 10 может подвергнуть фоторазрушению слой ткани путем перемещения фокуса лазерного луча 38 вдоль заданной траектории сканирования. Когда лазерный луч 38 перемещается вдоль траектории сканирования, импульсы лазерного излучения подвергают ткани глаза 12 фоторазрушению. Наложение множества фоторазрушений позволяет создать разрез любой требуемой геометрической формы на глазе 12.
Устройство компенсации дисперсии 25 расположено таким образом, что импульсы, распространяющиеся лазерным лучом 38, проходят через устройство компенсации дисперсии 25. Устройство компенсации дисперсии 25 добавляет значение групповой задержки и дисперсии групповой скорости к импульсам, проходящим через устройство компенсации дисперсии 25. Более конкретно, устройство компенсации дисперсии 25 вводит соответствующие значения ГЗ и ГЗД, которые частично или полностью компенсируют значения, введенные в остальной части лазерного устройства 14 для импульсов. Устройство компенсации дисперсии 25 может дополнительно добавлять соответствующие значения ДТП. На выходе лазерного устройства 14 лазерные импульсы, таким образом, имеют минимальное значение искажения, связанного с дисперсией.
В некоторых вариантах исполнения устройство компенсации дисперсии 25 может иметь один компенсатор, который добавляет все значения дисперсии, которые обеспечиваются устройством компенсации дисперсии 25. В других вариантах исполнения устройство компенсации дисперсии 25 может включать в себя два или несколько компенсаторов, которые добавляют отдельные значения дисперсии. В одном примере устройство компенсации дисперсии 25 имеет объемный компенсатор и остаточный компенсатор. Объемный компенсатор вводит величину дисперсии, необходимую для уменьшения до минимума искажений импульсов, связанных с дисперсией, на выходе лазерного устройства 14. Дисперсия, обеспечиваемая объемным компенсатором, пространственно однородная, то есть, одинаковая для всех положений падения волнового пакета лазерного луча 38 на объемный компенсатор. Остаточный компенсатор вводит остаточную величину дисперсии. Дисперсия, добавленная остаточным компенсатором, пространственно неоднородна, т.е. различается для разных положений падения волнового пакета лазерного луча 38 на остаточный компенсатор. В некоторых вариантах исполнения дисперсия, добавленная остаточным компенсатором, имеет ротационную симметрию и изменяется в радиальном направлении по отношению к оси симметрии.
Обратимся теперь дополнительно к Фиг. 2, на которой показан пример исполнения устройства компенсации дисперсии 25. Как показано на Фиг. 2, устройство компенсации дисперсии 25 содержит деформируемое диспергирующее (или ЛЧМ) зеркало 42, привод 44 и объемный компенсатор 46. Деформируемое диспергирующее зеркало 42 имеет отражающую поверхность 48, образованную многослойной структурой из множества тонких диэлектрических слоев, имеющих показатели преломления, которые отличаются от слоя к слою. Привод 44 соединен с управляющим компьютером 18 и позволяет перемещать вперед и назад выбранные части отражающей поверхности 48 относительно других участков поверхности, тем самым изменяя форму отражающей поверхности 48. В примерах исполнений привод 44 может включать в себя множество индивидуально контролируемых приводных элементов, причем каждый приводной элемент действует на различные части отражающей поверхности 48. Деформируемое диспергирующее зеркало 42 может быть любого подходящего типа. В некоторых вариантах исполнения зеркало 42 может включать в себя сегментированную отражающую поверхность, причем каждый сегмент может перемещаться вперед и назад независимо от других сегментов. В других вариантах исполнения зеркало может иметь непрерывную отражающую поверхность. Например, зеркало 42 может быть изготовлено как устройство МЭМС (микроэлектромеханической системы).
Деформируемое диспергирующее зеркало 42 действует как остаточный компенсатор и компенсирует пространственные вариации дисперсии групповой скорости остальной части сканирующей оптической системы 10. Многослойная структура деформируемого диспергирующего зеркала 42 предназначена для добавления пространственно неоднородной дисперсии групповой скорости к импульсам, падающим на зеркало 42. Пространственно неоднородная дисперсия групповой скорости зеркала 42 имеет различные значения, по крайней мере, ГЗД и, в некоторых вариантах исполнения, также ДТП для разных положений на отражающей поверхности 48 зеркала 42. В качестве метода, позволяющего определить пространственную структуру дисперсии групповой скорости оптической системы сканирования 10 (без учета устройства компенсации дисперсии 25), может использоваться траектория луча. На основе системы ДГС сканирующей оптической системы 10, многослойная структура деформируемого диспергирующего зеркала 42 может иметь соответствующую конструкцию для, по меньшей мере, частичного устранения пространственных вариаций системы ДГС.
В некоторых вариантах исполнения многослойная структура деформируемого диспергирующего зеркала 42 также предназначена для добавления пространственно неоднородной групповой задержки для импульсов, воздействующих на зеркало 42. Пространственное распределение групповой задержки, добавленной многослойной структурой, можно регулировать путем изменения формы деформируемого зеркала 42. В других вариантах исполнения многослойная структура деформируемого диспергирующего зеркала 42 не добавляет групповой задержки. В таких вариантах исполнения относительную фазу падения волновых пакетов в различных положениях на отражающей поверхности 48, тем не менее, можно регулировать путем изменения формы зеркала 42, чтобы тем самым ввести пространственно-неоднородную групповую задержку для импульсов, отражаемых от зеркала 42.
Объемный компенсатор 46 состоит, например, из пары противоположно расположенных диспергирующих зеркал (не показанных детально). Лазерный луч 38 попадает в пространство между зеркалами, с одной стороны, отражается назад и вперед между зеркалами заданное число раз, а затем покидает пару зеркал на другой стороне. Каждое отражение лазерного излучаемого импульса от одного из зеркал пары добавляет дисперсию импульсу, так что общая дисперсия, добавляемая к импульсу, созданному парой зеркал, зависит от количества отскоков (отражений) импульса в паре зеркал. Следует понимать, что возможны также и другие конфигурации объемного компенсатора, например, одно диспергирующее зеркало, пара призм, или пара решеток. В некоторых вариантах исполнения, например, когда общая дисперсия всей оптической системы достаточно мала, объемный компенсатор 46 можно устранить, а деформируемое диспергирующее зеркало 42 может быть единственным компенсатором для компенсации дисперсии оптической системы.
Когда сканер 26 отклоняет лазерный луч 38, длина пути, проходимого лазерным лучом 38 до фокусирующего устройства 30, и любые промежуточные воздушные прослойки могут изменяться. На Фиг. 1 пунктирной линией показан отраженный лазерный луч 38'. При различных значениях отклонения лазерного луча 38', т.е. при разных значениях угла сканирования, пространственная структура групповой задержки, введенная для импульса отклоненного пучка 38', до его выхода из фокусирующего устройства 30, может изменяться. Для регулирования таких изменений управляющая программа 36 содержит команды для управления приводом 44, предназначенные для изменения формы деформируемого зеркала 42 в соответствии с углом сканирования. Изменение формы деформируемого зеркала 42 имеет эффект изменения относительного фазового соотношения между падением волновых пакетов в различных положениях на отражающей поверхности 48 зеркала 42. Изменения угла сканирования пространственного распределения групповой задержки, появившейся в результате импульса отклоненного пучка 38' на выходе фокусирующего устройства 30, могут быть сведены к минимуму путем регулирования формы зеркала 42 соответствующим образом.
На Фиг. 3 представлен пример метода сканирования, который может использоваться сканирующей оптической системой 10. Метод можно использовать для создания надреза в глазе 12. На шаге 200 обеспечивается луч 38 импульсного лазерного излучения. На шаге 210 луч 38 отклоняется в поперечном направлении, т.е. параллельно плоскости х-у, под углом сканирования в соответствии с управляющей программой 36, в результате чего получают отклоненный луч 38'. На шаге 220 отклоненный луч 38' фокусируется на целевую область глаза 12 для создания фоторазрушения в ткани глаза на основе оптического пробоя, индуцированного лазерным излучением. С помощью угла сканирования отклоненного луча 38' форма деформируемого диспергирующего зеркала 42 регулируется на шаге 230 для учета изменений в пространственной структуре групповой задержки, введенной в фокусирующее устройство 30 для импульсов отклоненного луча 38', изменения которого связаны с разными значениями угла сканирования.